AR 效果如何实现，看完这个就知道了

2024-10-30上海AR开发专家

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  AR 与 VR 相比,人们普遍认为前者的前景更加广阔。然而二者相比之下,AR 多了与真实世界相互融合这一个步骤,实现难度也比 VR 难得多。而这其中,AR 镜片便是其重要的技术难点,本文就对 AR 光学方案进行一个盘点。
  直接投影或离轴反射
  类似于投影仪,我们也可以将影像直接投影到眼镜上,比如 Glass Up,其便在右侧镜腿上安装了一个微型投影仪,并将镜片作为反射镜,会在镜片上投射一个大小为 320×240 的区域,通过反射以后形成平行光进入人眼成像。虽无法像手机或平板电脑一样进行多任务处理,但应付一些文字信息和简单图表足够。
  另外,Meta 眼镜 也是采用了类似技术(其采用离轴反射镜:与标准抛物反射镜的不同之处在于,离轴抛物反射镜可在特定角度下直射并聚焦入射平行光,且支持无限远焦点。),造型极其紧凑的投影仪藏在镜框内,左右各有一个。由 LED 光源将半透式 LCD 上的影像投射到分光镜片上成像,从而提供了立体视觉。其目前已经发展了两代,其中 Meta 单眼分辨率为 960*540,视野只有 36 度,但 Meta 2 在显示方面取得了长足进步,拥有 2560*1440 分辨率(单眼 1280*1440)和 90 度视野宽度。
  棱镜光学
  如图,简单的就是 45 度角棱镜,把显示器产生的光从眼镜框反射进人眼,也同时让现实世界的光透进来。这样做简单便宜,其中著名的 Google Glass 便是采用了这种方案。但由于技术限制,连 Google Glass 的缺点也很明显,视场角仅 20°左右(棱镜方式要想做大 FOV 只能做得更厚),光线需要先后经过半反半透膜层两次,光能利用率低(约为 20%),导致画面较暗。受限于制造工艺,镜片厚,提供面积大的镜片成本高、良率低。
  国内代表企业:奥图科技
  自由曲面棱镜式
  自由曲面指表面形状不能被连续加工的,具有传统加工成型的任意性特点的曲面,其设计难度远远高于前两类。
  一般情况下它的形态是一个楔形的玻璃,这种曲面是非旋转对称的 XY 多项式自由曲面。在这种结构中,光线经过该棱镜的变换,形成虚拟放大的图像,球面全反射的出射面和自由曲面的反射面(上图)能消除色差和畸变等像差,因此成像质量更加清晰,视角可以达到 45 度,采用双自由曲面棱镜视角可以进一步提高。缺陷就是,体积较大,厚度约在 7-10mm。
  国内代表企业:耐得佳、 影创科技
  光波导+全息技术
  波导能够实现在 3mm 以内的玻璃上,实现 30-40°的视场角。它会低于一般近视眼镜的厚度,非常轻薄,因此可以和普通眼镜结合。不过,它的设计难度也是最大的。
  据了解,该技术的基本原理是光的全反射和衍射。如图,全息波导头盔显示系统主要由微显示器、全息光栅和平板波导组成。图像经过微型准直透镜后变成平行光进入光波导到达第一个全息光栅,由于全息光栅的衍射效应使平行光改变传输方向从而满足全反射条件并沿波导方向向前无损传播。当平行光传播到第二个全息光栅时,全反射条件被破坏从而使平行光从全息波导出射,并进入人眼成像。由于全息波导的存在,光学图像可以垂直偏转传播。这不但减小了传播距离,还可保持光学系统的重心在头部以内。同时减少了折镜的使用,从而有利于光学系统的简洁化和轻小型设计。
  不过,该技术智能实现单色显示,想要实现彩色效果必须采用 3 层镜片,分别投射红、绿、蓝三原光,利用不同光线的融合形成彩色。目前,
  HoloLens
   便是采用这种方案。
  光波导+反射技术
  全息光栅方案,由于衍射效应会造成色散和图像模糊。所以,以色列公司 Lumus 用到了一种 Light-guide Optical Element(LOE)器件。这种器件使用的并非全息光栅,而是更加简单的多反射层结构,如图所示。LOE 器件的原理和潜望镜类似,但是使用了多个反射镜扩展出瞳。每个反射镜反射的都是平行光,这些反射镜成同一像。
  其中 Lumus 的代表性产品 PD-18 分辨率为 800×600,视场角为 26°×20°,出瞳为 10mm,出瞳距为 23mm。器件厚度为 2.3mm,重量小于 70g,亮度为 1200fL,显示区透过率为 70%,其余区域透过率为 92%。
  目前,国内灵犀微光在做类似的研究。灵犀微光的方案镜片厚度只有 1.7mm, 基于光波导与纳米级耦合光栅技术,视场角 30 度,双眼视野显示分辨率 720P,透光率超 90%,可以适配近视镜片。另外,耐得佳也有类似的镜片产品。
  光场技术
  Light Field 光场技术作为近眼 3D 的另外一大技术路线,其代表者就是
  Magic Leap
  。该技术最大的好处就是可以允许用户自由对焦,看远看近不至于产生传统照片或视频那样的模糊感觉。
  这种方法的技术核心是光导纤维投影仪(Fiber Optic Projector),基于激光在光导纤维中传播后从纤维的端口射出时输出方向和纤维相切的原理,Magic Leap 通过改变纤维在三维空间中的形状,特别是改变纤维端口处的切方向,控制激光射出的方向,直接投射到视网膜。
  视频叠加技术
  既然利用光学透镜实现 AR 效果如此之难,那有没有更加简单的可以实现 AR 效果的方法呢?当然也是有的,比如以 易瞳科技 为代表的视频叠加方案,其直接利用摄像头取代透镜观察真实世界,并将虚拟事物叠加在摄像头所拍摄的场景中。
  该方法避免了光学设计上的难题,而且还可以增强人的视觉感知能力,比如通过使用红外线摄像头,我们甚至可以看见红外光谱的景象。不过,它也带来了另一个难题,那就是数据运算量极高,这个问题亟待解决。