光學(xué)硬件的兩類解決方案介紹及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器的工作原理分析

　　由于科幻電影的影響（《鋼鐵俠》和《星際迷航》等等），人們一直在憧憬著全息光學(xué)透鏡的出

　　現(xiàn)。那么增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器的工作原理是什么呢？游戲開發(fā)者 Aaron Yip 在 Quora（國(guó)外著名問答網(wǎng)站）

　　進(jìn)行了解答，下面是我們整理的文字。

　　先讓我們從基礎(chǔ)開始。我們有這些部分透明的顯示器，可把數(shù)字影像與真實(shí)世界相混合。光線需

　　要在一定東西上反彈以重定向到你的眼睛。在現(xiàn)實(shí)世界，我們已經(jīng)得到重定向的光線。對(duì)于數(shù)字世界，

　　我們需要?jiǎng)?chuàng)建人工光線（例如通過 LED，OLED），然后重定向它們。將生成的計(jì)算機(jī)圖像與真實(shí)世界

　　結(jié)合的光學(xué)裝置稱為“組合器 ”（Combiner）。 基本上，組合器的工作原理類似于部分反射鏡，即重定

　　向顯示光，并選擇性地讓光從真實(shí)世界通過。這很簡(jiǎn)單

　　光學(xué)硬件解決方案可以分為兩類：常規(guī) HMD 光學(xué)組合器和新興波導(dǎo)組合器。這兩者都非常不同，

　　有著非常不同的權(quán)衡。

　　自上世紀(jì) 60 年代以后便出現(xiàn)了透視顯示器。因此，這產(chǎn)生了許多不同的光學(xué)技術(shù)，但基本上都是

　　分辨率、視場(chǎng)、眼盒、圖像質(zhì)量、硬件重量/適配、形狀參數(shù)和其他特征之間的權(quán)衡。在理想情況下，

　　每個(gè)人都希望時(shí)尚輕便的眼鏡，有著 200×100 度的視場(chǎng)（匹配人眼），以及由《鋼鐵俠》主角托尼·史

　　塔克發(fā)明的完美圖像質(zhì)量。但由于頭顯/近眼顯示器等等存在物理和光學(xué)的限制，使得這在可預(yù)見的未

　　來中成為不切實(shí)際的幻想。所以我們需要思量上述提到的權(quán)衡。

　　光學(xué)硬件完全在于權(quán)衡

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　　傳統(tǒng)的組合器可產(chǎn)生合理的透視和成像質(zhì)量，具有一致的性能和得益于幾十年供應(yīng)鏈發(fā)展而帶來

　　的所能負(fù)擔(dān)得起的材料。下圖是兩個(gè)常見的實(shí)現(xiàn)方式：作為平面組合器示例的偏振光束組合器（左上）；

　　作為彎曲組合器示例的離軸組合器（右上）

　　偏振光束組合器的實(shí)例包括谷歌眼鏡，以及愛普生、瑞芯微（Rockchip）和臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

　　的智能眼鏡。分束器可以使用 LCOS（硅基液晶）微型顯示器進(jìn)行偏振，例如谷歌眼鏡；或者僅使用簡(jiǎn)

　　單的半色調(diào)反射鏡。可惜的是，由于組合器的重量和尺寸限制，基于偏振光束組合器的顯示器的視場(chǎng)通

　　常較小，并且可能存在光束分離導(dǎo)致的附加模糊，造成分辨率較低。谷歌眼鏡的視場(chǎng)為 13 度 FOV，而

　　愛普生 BT-300 為 23 度，分辨率是 1280×720。兩者都處于消費(fèi)者顯示器可接受范圍的低端。然而，

　　更大的 FOV 和/或分辨率將需要更大和更重的硬件。

　　優(yōu)點(diǎn)：輕、小、相對(duì)實(shí)惠（500 美元-700 美元左右）

　　缺點(diǎn)：有限的視場(chǎng)和分辨率，難以改進(jìn)。

　　離軸、半球形組合器的最佳現(xiàn)代示例是 Meta 2。與其他品種的小型和輕型組合器不同，Meta 傾向

　　于更大的 FOV 和顯示分辨率。他們推出單個(gè) OLED 平板以支持“幾乎 90 度 FOV”和 2560×1440 像素。

　　然而，他們的硬件體積巨大，跟 VR 頭顯（如 Oculus 和 HTC Vive）相似。另外的問題包括較低的角分

　　辨率（較少細(xì)節(jié)/圖像不夠清晰），以及組合器的塑料材料如何維持其質(zhì)量（例如，隨著時(shí)間的推移輕

　　微的抖動(dòng)會(huì)得到強(qiáng)化，可能導(dǎo)致最終的視覺假象）。但這是他們?yōu)榻档统杀径龀龅倪x擇。彎曲組合器

　　另一個(gè)更早的實(shí)例是 Link 的 Advanced Helmet Mounted Display。

　　優(yōu)點(diǎn)：寬視場(chǎng)和高分辨率，相對(duì)實(shí)惠（900 美元左右）

　　缺點(diǎn)：大而笨重，較低的角分辨率，材料質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

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　　正如你所看到的，試圖在 FOV 和分辨率上改進(jìn)傳統(tǒng)組合器意味著更小的眼盒，更厚的組合器光學(xué)

　　組件，更大的組合器，和/或更差的成像質(zhì)量。它跟計(jì)算性能限制無關(guān)，而是跟光在硬件上的表現(xiàn)特性

　　有關(guān)。

　　為了解決這一硬性權(quán)衡問題，新技術(shù)正在采用非常規(guī)技術(shù)，如全息和衍射光學(xué)。這些技術(shù)使用所

　　謂的波導(dǎo)光柵或波導(dǎo)全息圖逐漸提取由波導(dǎo)管中全內(nèi)反射（TIR）引導(dǎo)的準(zhǔn)直圖像。波導(dǎo)管是用玻璃或

　　塑料制作而成的薄片，光被會(huì)在其中反射通過。實(shí)際上，你可以把波導(dǎo)想象成一個(gè)在你眼睛前面?zhèn)鬏攬D

　　像的路由器