十年磨一劍，解密蘋果XR的iPhone時(shí)刻

隨著蘋果首款頭戴式顯示器Vision Pro的正式發(fā)布，全球AR/VR行業(yè)期待已久的“One more thing”終于實(shí)現(xiàn)。這一革命性產(chǎn)品將數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，為元宇宙終端開(kāi)辟一條嶄新之路，并為整個(gè)行業(yè)注入更強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。

Vision Pro以手勢(shì)和聲音控制操作并搭載雙芯片設(shè)計(jì)M2和R1為用戶帶來(lái)更加流暢的體驗(yàn)等創(chuàng)新令人眼前一亮。然而，成像顯示依然是AR/VR眼鏡最重要的核心技術(shù)之一。通過(guò)精準(zhǔn)、高清晰度的光學(xué)成像，用戶可以享受到逼真、沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)世界。目前市面上多種光學(xué)方案并存，從棱鏡、自由曲面、到BB，再到光波導(dǎo)等，并伴隨超透鏡的技術(shù)日趨成熟，AR/VR眼鏡的光學(xué)性能與輕量化都將得到更好的優(yōu)化，本期將淺淺介紹AR系統(tǒng)中的成像顯示技術(shù)。

通常，AR光學(xué)系統(tǒng)包括光源（顯示器）、接收器（眼睛）和光學(xué)元件（透鏡）。

AR的光學(xué)系統(tǒng)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(dāng)前真實(shí)環(huán)境相疊加。 這個(gè)顯示器可以是頭戴式顯示器、手持式顯示器（例如數(shù)字平板電腦）或安裝式顯示器（例如擋風(fēng)玻璃）。

• 用于AR的光源是微型顯示器，例如有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。雙目頭顯通常有兩個(gè)顯示器，通過(guò)向雙眼提供不同的圖像來(lái)呈現(xiàn)立體效果，從而讓用戶產(chǎn)生3D感知。在全息頭顯中，光源是來(lái)自空間光調(diào)制器（SLM）的調(diào)制相干光。現(xiàn)實(shí)世界的光源則是視場(chǎng)內(nèi)物體所散射或發(fā)射的光。
• 接收器就是用戶的眼睛。
• 光學(xué)元件將來(lái)自微型顯示器的光與來(lái)自現(xiàn)實(shí)世界的光相融合，并將（來(lái)自微型顯示器的）增強(qiáng)信息投射到現(xiàn)實(shí)世界中。在下面圖1所示的示例中，微型顯示器發(fā)出的光線穿過(guò)光束整形透鏡、耦合棱鏡、光學(xué)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(guò)光學(xué)透鏡看到了真實(shí)場(chǎng)景和虛擬圖像（增強(qiáng)信息） 融合后的畫面。

▲圖1：AR眼鏡示意圖（經(jīng)許可后轉(zhuǎn)載。 The Optical Society）

（a） 擬設(shè)系統(tǒng)中AR圖像的側(cè)視圖和光束路徑。光學(xué)透鏡既可用于圖像校正，也可用于AR圖像的波導(dǎo)。微型顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)光束整形透鏡折射后，通過(guò)耦合棱鏡進(jìn)入光學(xué)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(shù)的詳細(xì)示意圖

（c） 光學(xué)元件的3D圖

在頭顯中，像差對(duì)圖像質(zhì)量的影響與其他光學(xué)系統(tǒng)中相似。軸向色差、球差、彗差、像散和場(chǎng)曲等像差會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。畸變、彗差和橫向色差等像差會(huì)導(dǎo)致圖像扭曲。像差控制在AR 頭顯光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中非常重要。圖2顯示了一個(gè)全反射自由曲面設(shè)計(jì)示例，其中（a）顯示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，（b）顯示了測(cè)試對(duì)象，（c）提供了初始系統(tǒng)的圖像仿真結(jié)果，而（d）顯示了優(yōu)化后的圖像。在這個(gè)示例中，我們可以了解優(yōu)化在減少像差和畸變方面的能力。

▲圖2：全反射自由曲面設(shè)計(jì)仿真

由于做到FOV和人眼的分辨率匹配頗具挑戰(zhàn)性，因此通常需要根據(jù)具體的要求來(lái)權(quán)衡FOV、重量（光學(xué)元件的體積、數(shù)量）、分辨率、光瞳大小（眼動(dòng)范圍）、眼睛間隙和微型顯示器尺寸。其中的一些權(quán)衡可以通過(guò)技術(shù)改進(jìn)來(lái)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(quán)衡可通過(guò)嵌入式高分辨率圖像、部分雙目重疊、空間分塊，時(shí)間分割，以及衍射級(jí)分塊來(lái)解決。FOV和光瞳大小之間的權(quán)衡可通過(guò)將出射光瞳復(fù)制到陣列中并采用眼動(dòng)追蹤設(shè)備來(lái)解決。

AR技術(shù)的日漸成熟，推動(dòng)了汽車抬頭顯示器的創(chuàng)新，AR-HUD 將AR與HUD相結(jié)合，仍以擋風(fēng)玻璃為媒介，但所生成的圖像能在更大，更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行投射，成像也更為生動(dòng)，提升人機(jī)交互體驗(yàn)。除此以外，AR的發(fā)展還能用于以下場(chǎng)景：

• 手術(shù)操作幫助和指導(dǎo)。
• 作戰(zhàn)輔助。
• 3D架構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)輔助。
• 社交，同時(shí)與現(xiàn)實(shí)和虛擬觀眾互動(dòng)。
• 娛樂(lè)，包括涉及現(xiàn)實(shí)環(huán)境的游戲和介紹歷史場(chǎng)景或時(shí)間演變的旅游活動(dòng)。
• 教育培訓(xùn)，對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行更多標(biāo)注，幫助學(xué)生獲取更多知識(shí)。

新思科技提供了一整套研究AR/VR設(shè)備的工具。設(shè)計(jì)AR光學(xué)系統(tǒng)需要多個(gè)軟件。光學(xué)開(kāi)發(fā)者需要軟件來(lái)創(chuàng)建和優(yōu)化成像系統(tǒng)，分析光路中的雜散光，并設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件。機(jī)械開(kāi)發(fā)者需要一個(gè)CAD套件來(lái)繪制系統(tǒng)布局并完成熱分析和結(jié)構(gòu)分析。 AR系統(tǒng)還可能需要電氣開(kāi)發(fā)者來(lái)實(shí)現(xiàn)眼動(dòng)追蹤并將信號(hào)發(fā)送到光學(xué)系統(tǒng)。

用新思科技光學(xué)工具搭建工作流程：

• 使用CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模，追蹤光學(xué)系統(tǒng)的光線路徑，優(yōu)化系統(tǒng)以減少像差和畸變并提高分辨率（圖3）。
• 開(kāi)發(fā)者可以將得到的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)出到LightTools后對(duì)照明、雜散光和鬼影進(jìn)行建模分析，也可用于優(yōu)化照明均勻度（圖4）。

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• 用RSoft 光子器件工具進(jìn)行光柵設(shè)計(jì)（圖5）：衍射光柵將光耦合到波導(dǎo)板中，然后再耦合到人眼中。合理的光柵設(shè)計(jì)能使光學(xué)系統(tǒng)生成出色的圖像。在光柵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，開(kāi)發(fā)者可以基于任何級(jí)次或級(jí)次組合的衍射角、效率等來(lái)優(yōu)化光柵。光柵構(gòu)建完畢后，開(kāi)發(fā)者可直接將雙向散射分布函數(shù)（BSDF）信息和布局文件導(dǎo)出到LightTools來(lái)定義曲面特性。所有衍射特性都會(huì)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(guān)信息。

總的來(lái)說(shuō)， AR/VR設(shè)備會(huì)越來(lái)越多地融入到人們的日常生活中，甚至目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出像隱形眼鏡一樣的AR眼鏡，這不但能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界的信息，更能有助于視覺(jué)障礙的用戶獲取更多信息。我們相信，隨著越來(lái)越多的玩家加入，人類離元宇宙的距離將越來(lái)越近！