光学系统是增强现实(AR)设备的一个重要组成部分;系统的考虑因素包括光效率、环境光的透射率、尺寸、重量和视野范围(FOV)等。不幸的是,目前尚不存在完美的解决方案,必须对不同的参数进行权衡。

 

光学系统是AR设备中的一个重要组成部分

在AR设备中,为了实现投影中的图像和真实世界的结合,必须有一个光学系统。在这篇文章中,阐述了几种常见的光学系统及其原理,并进行了简单的对比。

 

在设计AR的光学系统时,需要考虑以下几个要素:

  • 光效率(投影仪到眼睛),即将光线从投影仪导入人眼的过程中传递的比例
  • 环境光透射率
  • 光学系统的尺寸和重量
  • 越大越好的FOV

 

AR设备中的光学系统 Source: Omdia

 

对于现有的AR光学系统,可以简单归类为两种主要方案

 

第一类是利用一些光学元件的半透半反特性,将部分显示光反射到人眼中。同时,外部光线也可以穿过此光学装置,从而实现图像与现实世界的结合。这种类型的光学装置可进一步分为三种类型:prism、free-space和birdbath。

 

第二类解决方案是光波导类型。目前主要有三种技术:反射光波导、衍射光波导和全息光波导。

 

最近,由于在外观上更接近于传统的玻璃,开发者和市场对波导型光学元件表现出最多的关注。

AR光学系统原理图 Source: Omdia

 

目前不存在完美的解决方案;必须对不同的参数进行权衡

 

总的来说,目前还没有完美的AR光学解决方案。不同的解决方案都是在牺牲特定特性的情况下对其他方案的优化。

 

Prism型光学系统的结构最简单,但如果FOV增加,其体积将急剧增加。Free-space和Birdbath光学系统的设计比较复杂。总的来说三种反射式光学系统的结构需要较大的空间来实现,这造成了重量和体积的增大,限制了其在消费电子领域的应用。

 

Prism是谷歌眼镜选择的光学解决方案。然而,这种方案无法解决狭窄的FOV和大体积的光学元件之间的矛盾,所以消费类电子产品逐渐放弃了它。然而,由于其较高的光学效率,它仍然被用于工业和军事应用。

 

Google Glass Enterprise Edition 2,采用了棱镜方案

 

Free-space和Birdbath的优点是对比度好,分辨率高,FOV大,但它对环境光的透射率低。因此看起来更适用于室内场景。爱普生(Epson)的BT300和Nreal的产品选择了这种解决方案。

 

Nreal Light,采用Birdbath光学方案

 

目前,开发者最感兴趣的是光波导解决方案,它在尺寸和视角上有很大的改进,但也有不足之处。

 

其中反射式光波导的光学效率更高,但成本也更高。

Lumus Maximus采用了反射光波导

 

衍射光波导是目前AR领域最有前途的光学解决方案,但其光效较低。AR制造商已经转向高亮度的硅基micro LED(LEDoS)来解决这个问题。比较而言,LEDoS的亮度可以超过100万尼特;硅基OLED(OLEDoS)只超过1万尼特。

 

微软HoloLens 2采用衍射光波导

 

全息光波导具有与衍射光波导相似的特性,在成本上可能具有优势,但在全色发展上还不成熟。Akonia和Digilens是这些光学系统的开发商;值得注意的是,Apple在2018年收购了Akonia。

 

TCL 雷鸟发布的先锋版智能眼镜采用全息光波导

 

资料来源:Omdio

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作者 sun, keting