深入光学设计Birdbath 曲面反射和波导 浅谈AR头显工作原理

　　2018年05月29日，增强现实头显是如此的新颖，以至于行业将有着截然不同设计的头显进行比较，仿佛它们是相同的技术那般。这就像是将所有的山地自行车划分为“自行车”一样。但我们知道，1万美元的Yeti山地自行车与179美元的Schwinn休闲自行车有着截然不同的体验。与自行车一样，不同AR头显的体验可能存在巨大的差异。在这篇文章中，将与大家一起探讨光学设计，并讲解三种主要类型的头显：“Birdbath”;曲面反射镜(又名“虫眼”);以及反射/衍射波导。

　　1. Birdbath光学设计

　　工作原理：Birdbath光学设计把来自显示源的光线(上图中的蓝线)投射至45度角的分光镜(垂直于前额的黑色矩形)。分光镜具有反射和透射值(R / T)，允许光线以R的百分比进行部分反射，而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象，以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线弹到合成器上。这是一个凹面镜，可以把光线重新导向眼睛(上图中的虚线)。

　　采用这种光学设计的主要头显包括：联想Mirage AR头显与ODG R8和R9。

　　硬件组件：像联想Mirage AR这样的低成本头显采用了LCD显示屏，而ODG R9这样更高级的系统则搭载OLED微型显示屏。微型显示屏价格比较昂贵，但能够大幅优化头显的尺寸。就光学而言，分光镜和组合器的单向镜在制造成本上通常比较低。

　　视场：这种设计具有中等视场。ODG R9有50度的FOV，与高端波导技术相比该范围相对较高，但小于大多数的曲面镜设计。

　　光损：在50/50分束器中，第一次反射时出现50%的光损，当光线到达组合器时会有额外的损失，而且当光线通过分束器返回时又产生另外50%的光损。为了弥补明显的光损，透镜非常暗，类似于在室内穿戴太阳眼镜。

　　形状尺寸：如果把LCD作为显示器来源，光学限制将要求更大的头显设计。微型OLED可以减少头显的尺寸，但增加了供应链和成本方面的困难。

　　图像质量：当光源从组合器里面和外面反射时，它可能会产生名为重影的伪影现象。

　　由于显示器上的1080P图像出现扩展，LCD显示屏将产生更大的像素(低像素密度)。微型显示器提供更高的像素密度，因此它们能够以非常小的尺寸生成高分辨率，但代价是亮度下降。

　　透镜透明度：如前所述，厂商通常把黑色透镜放在镜片的前面，使得你难以看到用户的眼睛，尤其是在室内。

　　2. 曲面镜/“虫眼”光学设计

　　工作原理：虫眼头显采用了相对简单的光学设计。它搭载了低成本的LCD显示源，以及带反射/透射(R/T)值的曲面反射镜。显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器，并且反射回眼内。显示源的理想位置居中，并与镜面平行。从技术上讲，理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”，设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变，需要在软件/显示器端进行修正。

　　采用这种光学设计的头显主要包括：Mira Prism，Meta 2，Leap Motion，Dream World。

　　硬件组件：LCD显示屏可以是手机或现成的LCD面板。虽然可以专门生产专门的透镜，但它们需要定制的光学镀膜。

　　视场：由于显示器远离眼睛，视场可以明显大于当前的波导范围(范围在50至105度)。

　　光损：由于光线仅通过一个组合器/透镜，光损限于“一次通过”，并且远低于Birdbath设计。

　　形状尺寸：为了扩大数字图像，并且令其大到可以叠加在真实世界之中，LCD源与透镜的距离需要足够远。

　　图像质量：像素密度可能是该设计的一个问题，特别是如果你将智能手机用作光源。双LCD显示器是帮助提高像素密度的一种方法。Leap Motion头显采用了两个1600×1440的LCD显示器。

　　透镜透明度：我们可以通过较亮的LCD和较少的基板来减轻光损问题，这种显示器可提供更清晰的透镜(更高的R/T值)。如上图所示，Mira透镜的透明度足以让你看到用户的眼睛。

　　3. 反射/衍射波导

　　工作原理：波导代表了光学技术的一种新形式，在形状尺寸，清晰度和重影方面提供了显著的优势，但技术仍然处于开发阶段。显示源通常使用LCOS(硅基液晶)或DLP显示器。LCOS和DLP都通过衍射光栅发射准直光线。该衍射光栅可以重新导向光线，并最终形成扩大的图像，然后再将其投射到眼内。

　　虽然波导显示器和高分辨率AR体验令人兴奋，但它们的制造成本非常高昂，而且存在明显的废品率。预计波导价格将随着制造工艺的发展而降低，但它们目前仍是高端头显的成本大头。波导头显的零售价在3000美元至5000美元之间。

　　采用波导的头显主要包括：微软HoloLens，Maigc Leap One，DAQRI。

　　硬件组件：衍射波导光学元件包括多层结构，每种颜色都有一层。由于在纳米级别难以对齐衍射RGB层，所以在制造中存在非常的废品率。Lumus专有的反射波导避免了多层生产工艺，令生产过程变得更加轻松。LCOS通常用作显示源，因为它非常紧凑并且提供准直光(波导技术的一项要求)。

　　视场：与其他显示器相比，这种光学设计的视场非常小。在今天，40度视场是标准，而厂商正努力在不损害质量的情况下实现50度视场。

　　图像质量：波导显示器的亮度在所有光学设计中排名第一，而且没有重影现象。今天大部分的显示器都是720P，但这种情况将很快发生改变。在CES 2018大会上，Lumus的显示器已经支持1080P和40度视场。

　　形状尺寸：这项技术正越来越接近于眼镜形态，但AR头显需要搭载其他元件：显示源，摄像头和IMU，所以我们在近期内无法实现太阳眼镜般的外形尺寸。

　　透镜透明度：不需要着色。如DAQRI头显所示，透镜非常清晰，可供室内使用。

　　像所有硬件产品一样，上述头显的设计都是经过了一系列的权衡。厂商需要仔细平衡每个电子元件的优点与缺点，位置，重量，尺寸，价格等方面，而每个选项都对设计产生巨大的影响。综合考虑材料的易用性和成本，我们认为LCD曲面镜/虫眼设计是当前最容易理解的选择。但这种设计选择并不是AR头显的长期发展方向。随着生产线的逐渐增加与生产工艺的发展，它们将很快由微型显示器和/或波导管取代。作为消费者，这个未来令人感到兴奋。