VR和AR究竟是什么呢？

VR 指虛擬現實，是通過顯示系統使用戶身臨其境感受虛擬環境的設備。AR是增強現實，是將虛擬環境信息與真實環境“無縫”融合的一種技術。比如漫威超級英雄鋼鐵俠的頭盔能夠顯示各種可視化信息，鋼鐵俠可以通過這些輔助信息更精準地擊敗對手。這個看起來無比酷炫的頭盔使用的正是AR技術。

我們在科普欄目《喵芯球》中，也詳細介紹了AR/VR/MR的區別。(點擊查看）

而與VR技術相比，AR對光學系統的要求更高。AR雖然多為商用，但目前也在蓄勢待發向消費端進軍，比如現在市面上比較多的AR產品──AR眼鏡，光學顯示是AR眼鏡的核心技術。AR產品的價格普遍都比較高，對于硬件成本超過1000美金的AR產品來說，光學與顯示成本占比最高，約40%。

目前市面上有多種光學方案，從棱鏡、自由曲面、到BB，再到光波導等。隨著超透鏡技術的日趨成熟，AR眼鏡的光學性能與輕量化都將得到更好的優化，本期我們將淺談AR系統中的光學顯示技術。

AR光學系統如何運作？

通常，AR光學系統包括光源（顯示器）、接收器（眼睛）和光學元件（透鏡）。

AR的光學系統工作原理是將顯示器上的圖像投影到用戶前方的虛擬圖像/顯示器上，與當前真實環境相疊加。 這個顯示器可以是頭戴式顯示器、手持式顯示器（例如數字平板電腦）或安裝式顯示器（例如擋風玻璃）。

• 微型顯示器是AR的光源，例如有機發光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。雙目頭顯通常有兩個顯示器，通過向雙眼提供不同的圖像來呈現立體效果，從而讓用戶產生3D感知。在全息頭顯中，光源是來自空間光調制器（SLM）的調制相干光。現實世界的光源則是視場內物體所散射或發射的光。
• 接收器就是用戶的眼睛。
• 光學元件將來自微型顯示器的光與來自現實世界的光相融合，并將（來自微型顯示器的）增強信息投射到現實世界中。在下面圖1所示的示例中，微型顯示器發出的光線穿過光束整形透鏡、耦合棱鏡、光學透鏡和自由曲面圖像組合器后，在距AR眼鏡一定距離處完成成像。因此人眼通過光學透鏡看到了真實場景和虛擬圖像（增強信息） 融合后的畫面。

▲圖1：AR眼鏡示意圖（經許可后轉載。 The Optical Society）

（a） 擬設系統中AR圖像的側視圖和光束路徑。光學透鏡既可用于圖像校正，也可用于AR圖像的波導。微型顯示器發出的光線經過光束整形透鏡折射后，通過耦合棱鏡進入光學透鏡，并在距透鏡一定距離處形成放大的虛擬圖像

（b） AR眼鏡中幾何參數的詳細示意圖

（c） 光學元件的3D圖

AR頭顯設計考慮因素

在頭顯中，像差對圖像質量的影響與其他光學系統中相似。軸向色差、球差、彗差、像散和場曲等像差會導致圖像模糊。畸變、彗差和橫向色差等像差會導致圖像扭曲。像差控制在AR 頭顯光學系統的設計中非常重要。圖2顯示了一個全反射自由曲面設計示例，其中（a）顯示了系統設計，（b）顯示了測試對象，（c）提供了初始系統的圖像仿真結果，而（d）顯示了優化后的圖像。在這個示例中，我們可以了解優化在減少像差和畸變方面的能力。

▲圖2：全反射自由曲面設計仿真

由于做到FOV和人眼的分辨率匹配頗具挑戰性，因此通常需要根據具體的要求來權衡FOV、重量（光學元件的體積、數量）、分辨率、光瞳大小（眼動范圍）、眼睛間隙和微型顯示器尺寸。其中的一些權衡可以通過技術改進來解決。下文列出了一些可能的解決方案：FOV和分辨率之間的權衡可通過嵌入式高分辨率圖像、部分雙目重疊、空間分塊，時間分割，以及衍射級分塊來解決。FOV和光瞳大小之間的權衡可通過將出射光瞳復制到陣列中并采用眼動追蹤設備來解決。

AR光學系統

在現實世界中有哪些應用？

AR技術的日漸成熟，推動了汽車抬頭顯示器的創新，AR-HUD 將AR與HUD相結合，仍以擋風玻璃為媒介，但所生成的圖像能在更大，更遠的距離進行投射，成像也更為生動，提升人機交互體驗。除此以外，AR的發展還能用于以下場景：

• 手術操作幫助和指導。
• 作戰輔助。
• 3D架構和產品設計輔助。
• 社交，同時與現實和虛擬觀眾互動。
• 娛樂，包括涉及現實環境的游戲和介紹歷史場景或時間演變的旅游活動。
• 教育培訓，對現實環境進行更多標注，幫助學生獲取更多知識。

設計AR光學系統的必備工具 新思科技提供了一整套研究AR/VR設備的工具。設計AR光學系統需要多個軟件。光學開發者需要軟件來創建和優化成像系統，分析光路中的雜散光，并設計衍射光學元件。機械開發者需要一個CAD套件來繪制系統布局并完成熱分析和結構分析。 AR系統還可能需要電氣開發者來實現眼動追蹤并將信號發送到光學系統。

用新思科技光學工具搭建工作流程：

• 使用CODE V光學設計軟件進行系統建模，追蹤光學系統的光線路徑，優化系統以減少像差和畸變并提高分辨率（圖3），
• 開發者可以將得到的幾何結構導出到LightTools后對照明、雜散光和鬼影進行建模分析，也可用于優化照明均勻度（圖4）。

?
?

• 用RSoft 光子器件工具進行光柵設計（圖5）：衍射光柵將光耦合到波導板中，然后再耦合到人眼中。合理的光柵設計能使光學系統生成出色的圖像。在光柵的設計和優化方面，開發者可以基于任何級次或級次組合的衍射角、效率等來優化光柵。光柵構建完畢后，開發者可直接將雙向散射分布函數（BSDF）信息和布局文件導出到LightTools來定義曲面特性。所有衍射特性都會包含在RSoft BSDF文件中，其中包括曲面（薄膜、圖案等）的光散射相關信息。

?總結

隨著科技的進步，AR設備會越來越多的融入到人們的日常生活中。目前已經開發出像隱形眼鏡一樣的AR眼鏡，不但能增強現實世界的信息，還能幫助有視覺障礙的用戶獲取更多信息。我們相信，在不久的將來， 人人“鋼鐵俠”都將不是夢！