详解AR光学的核心构成

AR光学构成

在上篇文章中，我们了解了增强现实技术的一些光学基础知识。在此基础上，本篇文章将简要总结AR光学的核心构成。我们在从光学角度来看，增强现实（AR）显示器可以基本上分为三个基本组件：光引擎（Light engine）、成像光学（Imaging optics）和耦合器（Combiner）。光引擎负责产生并空间调制形成虚拟图像的光。一旦光被生成，它会通过成像光学，产生准直（或几乎准直）的光束，使得放松的眼睛能够聚焦到虚拟图像上。在光到达眼睛之前的最后一个组件：耦合器。它的主要功能是允许环境中的光传播到眼睛，同时提供一个传导路径，将成像光学中的光引导到眼睛中。如果耦合器具有光学曲率，它还承担一部分成像光学的发挥作用。在AR光学显示上，这三个组件的示意图如图1所示。

图1

图片来源：Springer Handbook of AR

AR光引擎

正如我们所讨论的，增强现实（AR）显示器其中一个核心光学组件是光引擎。这个组件可以简单归纳为两种形式：

1.微型数字显示器（也称为微显示器）。

2.单一光源，在眼睛的视场（FOV）上快速扫描。

首先，我们将分析微显示器及其在AR显示的一阶光学计算中所起的关键作用。成像光学的视场和焦距与微显示器的物理尺寸之间存在关系，可以用以下方程表示：

其中，h 是微显示器的半对角线，f 是成像光学的焦距，θ是视场的半对角线。对于给定的视场，光学系统的物理尺寸与焦距成比例；因此，紧凑型光学系统更匹配短焦成像光学。较小的焦距会伴随使用较小的微显示器，这对于封装体积是有利的。然而，考虑到眼睛孔径是相对不变的，紧凑型光学系统也需要在尺寸与成像效果中找到平衡，因为较小的焦距会导致更小的光圈数。在更小的光圈数下工作可能需要额外的光学元件来校正像差。微显示器尺寸的另一个主要权衡在与分辨率。小尺寸的微显示器在光学系统中会限制角分辨率，因为对于显示屏技术，可以封装到给定微显示器尺寸中的像素数量往往受限。

根据显示光源的来源，光引擎可以简单分为自发光和外部照明。在自发光微型显示器中，像素在不使用外部光源的情况下工作。自发光微型显示器的主要优点是其操作的简单性和紧凑的封装。目前，主流的光引擎技术包括液晶硅（LCoS）、数字光处理（DLP）、有机发光二极管（OLED）、微型LED（Micro-LED）以及激光束扫描（LBS）。其中LCoS和DLP是光调制显示器，为外部照明微显技术。OLED与Micro-LED则为自发光微型显示器。LBS则为单一光源，通过在人眼视场中快速扫描，利用人眼具有视觉暂留现象，最终形成画面。

LCoS

图2

图片来源：Springer Handbook of AR

LCoS利用电压诱导的液晶重定向来调制入射光的偏振状态，同时使用像素化的金属镜面来反射调制后的光。像素化的反射可以通过在通过分析器或偏振分束器（PBS）后将相位延迟转换为幅度调制来获得（如图2）。

DLP

图3

图片来源：LightGate

与LCoS不同，DLP的核心为一个DMD芯片，每一个像素均依靠摆动的微振镜将入射光引导到两个不同的方向，分别对应开和关状态。DLP的光学原理可参考图3。

LBS

图4

图片来源：Springer Handbook of AR

使用微型显示器的一种替代方案是采用激光束扫描系统（LBS）。不同于微型数字现实器，LBS属于单一光源在视场中快速扫描成像的光引擎在LBS系统中，一个静止的准直激光入射到一个二维（X/Y）扫描系统上，该系统通常由一个旋转镜组成。镜子的旋转使得激光可以被重新定向到一系列角度，这些角度直接与视场（FOV）相关（如图4）。

对于Micro-LED微显示器，由于其Lambertian角分布，通常比LCoS具有更大的发射度。为了缩小Micro-LED的发散角，一种直接的方法是引入像素级准直微透镜阵列，但挑战有两个方面：制造工艺和光学串扰。此外，Micro-LED的发射区域应远小于像素区域，以实现高效的光收集。为了提高像素密度，许多厂家已经展示了使用三面合束棱镜Micro-LED的全彩光引擎如图5。而MIT则使用二维材料层转移展示了每英寸5100 ppi的垂直堆叠Micro-LED如图6。前者的挑战在于需要高精度的像素对准，而后者则牺牲了显示亮度（由于蓝色和绿色吸收体）并需要RGB LED的外延生长。另一种有前景的自发光显示是硅基OLED。然而，其亮度和分辨率密度是目前其在增强现实应用的瓶颈。

作为单一光源扫描光引擎，LBS可以省略成像光学元件，但代价是受限的刷新率和分辨率。并且，由于栅格扫描，闪烁和图像模糊将成为LBS显示难以避免的问题。高Q值MEMS谐振器有助于缓解这些问题。总的来说，激光背光的LCoS很可能成为实现高效率和高分辨率波导型增强现实显示的有力竞争者。硅基Micro-LED需要进一步发展定向角分布和小型全彩像素尺寸，以为高亮度和高分辨率的增强现实显示铺平道路。要与LCoS和Micro-LED竞争，LBS需要在刷新率和分辨率上进行重大改进。

图5 图片来源：水晶自研Micro-LED光引擎

图6

图片来源：Vertical full-colour micro-LEDs

via 2D materials-based layer transfer

AR光学耦合器

在增强现实（AR）显示中，光学耦合器是另一个关键的光学组件，它作为用户直接感知数字内容和现实环境的接口。AR系统的光学耦合器可以广泛分为两类：自由空间耦合器和波导耦合器。

波导中的光被全反射（TIR）过程所限制和引导，波导可以是玻璃或光学塑料。与波导相反，自由空间是指光在空间中自由传播的情况，关于自由空间耦合器，已经开发了多种光学系统，包括单片自由形部分、BirdBath、辅助自由形透镜、麦克斯韦式显示等。

由于目前波导耦合器在多方位展现出优越的性能，我们会更详细的介绍运用在增强现实中的波导。根据光线传导方式，波导耦合器可以分为两类：衍射和反射。在反射波导合成器中，射线的入射过程是通过使用反射镜或折射棱镜来完成的，而光线传播以及出射过程是通过部分镜面阵列实现的（图7a）。关于衍射波导耦合器（图7b），衍射耦合器是衍射光学元件，大多数情况下包含光栅。按光栅类型主要有四种衍射波导耦合器：表面浮雕光栅（SRG）、体全息光栅（VHG）、偏振体光栅（PVG）和超表面衍射波导。前两种衍射波导已广泛应用于商业AR产品后两种衍射目前正在积极开发中，显示出未来产品的巨大潜力。

然而，随着所需视场（FoV）的增加，所有光耦合器变得更大、更笨重。这对于近眼显示来说是一个主要的缺点，因为头戴式显示器需要尽可能轻便和紧凑。此外，这些设计中用于查看图像的眼动范围很小。因此，光学系统的性能对光学模块相对于观察者眼睛的微小移动非常敏感，对于具有不同瞳孔间距（IPD）的不同用户来说也不方便。

为此，多种不同类型的出瞳扩展和瞳孔导向方法被开发出来，特别是针对光场显示器和波导显示器。然而，光场显示器的一个最大问题仍然没有解决，即当瞳孔移动到不同的视野窗口位置或眼球进行扫视时的像差。另一方面，波导显示的出瞳扩展过程在技术上非常自然，正如第上述所讨论的那样。波导耦合器可以在保持大的视场的同时保持大的视野窗口，外形也很纤薄。因此，在如今增强现实技术发展中，波导技术得到了广泛关注。

图7 波导耦合器示意图

(a）反射光波导示意图

(b) 衍射光波导示意图

图片来源：Waveguide-based-AR-perspectives-and-challanges