AR光学技术，打开虚拟与现实的任意门

VR和AR究竟是什么呢？

VR 指虚拟现实，是通过显示系统使用户身临其境感受虚拟环境的设备。AR是增强现实，是将虚拟环境信息与真实环境“无缝”融合的一种技术。比如漫威超级英雄钢铁侠的头盔能够显示各种可视化信息，钢铁侠可以通过这些辅助信息更精准地击败对手。这个看起来无比酷炫的头盔使用的正是AR技术。

我们在科普栏目《喵芯球》中，也详细介绍了AR/VR/MR的区别。(点击查看）

而与VR技术相比，AR对光学系统的要求更高。AR虽然多为商用，但目前也在蓄势待发向消费端进军，比如现在市面上比较多的AR产品──AR眼镜，光学显示是AR眼镜的核心技术。AR产品的价格普遍都比较高，对于硬件成本超过1000美金的AR产品来说，光学与显示成本占比最高，约40%。

目前市面上有多种光学方案，从棱镜、自由曲面、到BB，再到光波导等。随着超透镜技术的日趋成熟，AR眼镜的光学性能与轻量化都将得到更好的优化，本期我们将浅谈AR系统中的光学显示技术。

AR光学系统如何运作？

通常，AR光学系统包括光源（显示器）、接收器（眼睛）和光学元件（透镜）。

AR的光学系统工作原理是将显示器上的图像投影到用户前方的虚拟图像/显示器上，与当前真实环境相叠加。 这个显示器可以是头戴式显示器、手持式显示器（例如数字平板电脑）或安装式显示器（例如挡风玻璃）。

• 微型显示器是AR的光源，例如有机发光二极管（OLED）或液晶显示器（LCD）。双目头显通常有两个显示器，通过向双眼提供不同的图像来呈现立体效果，从而让用户产生3D感知。在全息头显中，光源是来自空间光调制器（SLM）的调制相干光。现实世界的光源则是视场内物体所散射或发射的光。
• 接收器就是用户的眼睛。
• 光学元件将来自微型显示器的光与来自现实世界的光相融合，并将（来自微型显示器的）增强信息投射到现实世界中。在下面图1所示的示例中，微型显示器发出的光线穿过光束整形透镜、耦合棱镜、光学透镜和自由曲面图像组合器后，在距AR眼镜一定距离处完成成像。因此人眼通过光学透镜看到了真实场景和虚拟图像（增强信息） 融合后的画面。

▲图1：AR眼镜示意图（经许可后转载。 The Optical Society）

（a） 拟设系统中AR图像的侧视图和光束路径。光学透镜既可用于图像校正，也可用于AR图像的波导。微型显示器发出的光线经过光束整形透镜折射后，通过耦合棱镜进入光学透镜，并在距透镜一定距离处形成放大的虚拟图像

（b） AR眼镜中几何参数的详细示意图

（c） 光学元件的3D图

AR头显设计考虑因素

在头显中，像差对图像质量的影响与其他光学系统中相似。轴向色差、球差、彗差、像散和场曲等像差会导致图像模糊。畸变、彗差和横向色差等像差会导致图像扭曲。像差控制在AR 头显光学系统的设计中非常重要。图2显示了一个全反射自由曲面设计示例，其中（a）显示了系统设计，（b）显示了测试对象，（c）提供了初始系统的图像仿真结果，而（d）显示了优化后的图像。在这个示例中，我们可以了解优化在减少像差和畸变方面的能力。

▲图2：全反射自由曲面设计仿真

由于做到FOV和人眼的分辨率匹配颇具挑战性，因此通常需要根据具体的要求来权衡FOV、重量（光学元件的体积、数量）、分辨率、光瞳大小（眼动范围）、眼睛间隙和微型显示器尺寸。其中的一些权衡可以通过技术改进来解决。下文列出了一些可能的解决方案：FOV和分辨率之间的权衡可通过嵌入式高分辨率图像、部分双目重叠、空间分块，时间分割，以及衍射级分块来解决。FOV和光瞳大小之间的权衡可通过将出射光瞳复制到阵列中并采用眼动追踪设备来解决。

AR光学系统

在现实世界中有哪些应用？

AR技术的日渐成熟，推动了汽车抬头显示器的创新，AR-HUD 将AR与HUD相结合，仍以挡风玻璃为媒介，但所生成的图像能在更大，更远的距离进行投射，成像也更为生动，提升人机交互体验。除此以外，AR的发展还能用于以下场景：

• 手术操作帮助和指导。
• 作战辅助。
• 3D架构和产品设计辅助。
• 社交，同时与现实和虚拟观众互动。
• 娱乐，包括涉及现实环境的游戏和介绍历史场景或时间演变的旅游活动。
• 教育培训，对现实环境进行更多标注，帮助学生获取更多知识。

设计AR光学系统的必备工具 新思科技提供了一整套研究AR/VR设备的工具。设计AR光学系统需要多个软件。光学开发者需要软件来创建和优化成像系统，分析光路中的杂散光，并设计衍射光学元件。机械开发者需要一个CAD套件来绘制系统布局并完成热分析和结构分析。 AR系统还可能需要电气开发者来实现眼动追踪并将信号发送到光学系统。

用新思科技光学工具搭建工作流程：

• 使用CODE V光学设计软件进行系统建模，追踪光学系统的光线路径，优化系统以减少像差和畸变并提高分辨率（图3），
• 开发者可以将得到的几何结构导出到LightTools后对照明、杂散光和鬼影进行建模分析，也可用于优化照明均匀度（图4）。

 
 

• 用RSoft 光子器件工具进行光栅设计（图5）：衍射光栅将光耦合到波导板中，然后再耦合到人眼中。合理的光栅设计能使光学系统生成出色的图像。在光栅的设计和优化方面，开发者可以基于任何级次或级次组合的衍射角、效率等来优化光栅。光栅构建完毕后，开发者可直接将双向散射分布函数（BSDF）信息和布局文件导出到LightTools来定义曲面特性。所有衍射特性都会包含在RSoft BSDF文件中，其中包括曲面（薄膜、图案等）的光散射相关信息。

 总结

随着科技的进步，AR设备会越来越多的融入到人们的日常生活中。目前已经开发出像隐形眼镜一样的AR眼镜，不但能增强现实世界的信息，还能帮助有视觉障碍的用户获取更多信息。我们相信，在不久的将来， 人人“钢铁侠”都将不是梦！