AR技術引言

AR(增強現實)技術是下一代前沿視覺顯示技術。完美的AR顯示需要光、機、電、聲的無縫配合以呈現一場科技盛宴。光學無疑是顯示技術中的核心，本文將從光學角度切入探索AR世界。

人類消費數字內容的方式正在發生歷史性的變化。固定的獨立顯示設備，例如電視和計算機顯示器，將很快加入收音機和報紙，成為過時的媒體傳遞設備。同樣，我們低頭看手機的日子也可能不再持續。新一代的顯示設備即將出現，將提供前所未有的視覺刺激。增強現實（AR）正處于數字顯示革命的前沿。本篇文章旨在討論實現這一革命所需的光學顯示技術，因為沒有成功的硬件實現，這只是一個夢想而非現實。

在增強現實光學顯示中，用戶既可以看見保留的現實世界的內容又可以獲得擴展的數字顯示內容。圖1中展示了一些增強現實體驗的示例。由于AR保留了現實世界的視圖，它對我們的生活產生了更大的影響。

AR光學技術歷史與起源

自1960年以來，光學透視增強現實（AR）顯示一直在不斷發展。Ivan Sutherland的第一個計算機圖形驅動顯示器被戲稱為“達摩克利斯之劍”。 它是第一個頭戴式顯示器，盡管其體積龐大且需要懸掛使用。這一設備標志著計算機圖形學與人機交互領域的重要進步，并為后續AR技術的發展奠定了基礎。隨著個人電腦的普及，AR技術在1980年代開始進入消費者市場。基于頭盔的顯示器提供了40°×30°的視場，集成了頭部跟蹤功能，為用戶帶來了沉浸式的體驗。這些早期的AR頭盔雖然在技術上有所限制，但它們為今天的AR眼鏡和應用提供了寶貴的設計參考。早期的AR項目使工程師們意識到，除了在硬件方面進行創新外，還需要深入了解增強視覺對人類感知的影響，以減輕長時間使用可能導致的不良副作用，例如惡心、頭暈、疲勞或頭痛 。

AR光學與人眼視覺系統

為了更加深入了解AR顯示的光學技術，首先需要了解外部世界與人類視覺的交流樞紐—人眼視覺系統。

AR顯示系統是專門針對人類視覺所設計的一套光學系統。為了獲得一個擁有優異光學性能的AR顯示系統，不可避免地需要了解人眼。雖然人眼是一個復雜的結構，但使用簡單的人眼光學模型（如圖3）足以滿足對AR光學系統的了解。角膜是眼睛的主要聚焦元件，提供大部分聚焦能力。晶狀體通過肌肉調節，實現動態聚焦。虹膜作為光闌，控制進光量和成像質量。視網膜前的玻璃體不參與聚焦。眼睛旋轉中心位于角膜后約11毫米處。

視網膜可視為與眼球曲率相匹配的非平面探測器。它由兩種像素組成：數量較多的桿狀體負責周邊視覺，而密集的錐狀體則集中在黃斑區，提供高分辨率的中心視覺。眼睛通過快速掃描黃斑區的高分辨率區域來感知清晰圖像。根據奈奎斯特采樣理論，眼睛的最大理論分辨率為每毫米200個周期，實際可達每毫米110個周期，相當于一弧分的視角。這種高分辨率僅限于視場中心，分辨率隨著視場增大迅速下降。最鮮明的圖像來自于可見光譜的綠色帶。

圖3 圖片來源：Springer Handbook o? AR

AR光學系統視覺相關重要參數

在了解眼睛如何作為成像系統工作后，我們接下來開始討論用于給眼睛成像的光學系統了。許多為人類視覺系統服務的光學系統的目標是將放大的圖像呈現給眼睛，包括AR顯示系統。這種類型的光學系統屬于目鏡設計類別。目鏡的一個獨特特征是它們設計有外部瞳孔。為了避免在使用目鏡時出現視場漸暈，光學系統的外部瞳孔必須與眼睛的入射瞳孔重合，即通過角膜的虹膜圖像，位于角膜后面約3.05毫米處。如果目鏡與眼睛不匹配就會發生畫面裁剪或漸暈的情況。

圖4

眼動范圍（Eye Box）的概念與瞳孔密切相關。光學系統的眼動范圍被定義為用戶可以放置眼睛的三維區域，其中視場的漸暈是可接受的，并且圖像質量滿足規格要求。眼動范圍通常設計得比眼睛的瞳孔大，以便容易、靈活地使用，并適應給定頭部位置的自然眼睛旋轉。

眼間距(Eye Clearance)是AR顯示器的一個與眼動范圍相關的參數，影響用戶的舒適度（如圖4）。眼間距定義為眼睛入射瞳孔與AR顯示器組件的任何結構特征之間的最小距離。這與更常見的視距(Eye Relief)規格相似，但除了光學組件外，還考慮了機械特征。如果眼間距太短，AR顯示器的部分會與用戶的臉部或鼻子發生碰撞。如果眼間距太大，AR顯示器會從用戶臉上難看地突出。光線傳播的長度更長、傳播范圍更大，從而導致更大、更冗余的光學元件。因此，眼鏡距離臉部約17-20毫米可參考為AR顯示的最佳眼間距。

視場角

圖5 圖片來源：Springer Handbook o? AR

一旦眼睛位于眼動范圍內，就可以看到完整的虛擬圖像，而視場角決定了虛擬圖像的大小。視場角是AR顯示系統最關鍵的設計參數之一，通常會給用戶留下最深刻的印象。視場越大，體驗越沉浸。AR顯示器所需的視場根據應用的不同而有很大差異。對于文本顯示和通知，15°的小視場可能就足夠了。對于沉浸式游戲，尋求90°或更大的視場(如圖5)。

畸變

圖6圖片來源：Springer Handbook o? AR

隨著視場角的增加，圖像畸變也會增加。在旋轉對稱的視覺系統中，畸變要么是純徑向的枕形形式，要么是桶形形式，如圖8.10所示，當畸變百分比大于1%時，人眼可以明顯感知到畸變。但AR系統往往不具有旋轉對稱性，因此失真很少僅僅是徑向的，非對稱畸變也是AR成像畸變的重要組成(如圖6)。