光学硬件的两类解决方案介绍及增强现实显示器的工作原理分析

　　由于科幻电影的影响（《钢铁侠》和《星际迷航》等等），人们一直在憧憬着全息光学透镜的出

　　现。那么增强现实显示器的工作原理是什么呢？游戏开发者 Aaron Yip 在 Quora（国外著名问答网站）

　　进行了解答，下面是我们整理的文字。

　　先让我们从基础开始。我们有这些部分透明的显示器，可把数字影像与真实世界相混合。光线需

　　要在一定东西上反弹以重定向到你的眼睛。在现实世界，我们已经得到重定向的光线。对于数字世界，

　　我们需要创建人工光线（例如通过 LED，OLED），然后重定向它们。将生成的计算机图像与真实世界

　　结合的光学装置称为“组合器 ”（Combiner）。 基本上，组合器的工作原理类似于部分反射镜，即重定

　　向显示光，并选择性地让光从真实世界通过。这很简单

　　光学硬件解决方案可以分为两类：常规 HMD 光学组合器和新兴波导组合器。这两者都非常不同，

　　有着非常不同的权衡。

　　自上世纪 60 年代以后便出现了透视显示器。因此，这产生了许多不同的光学技术，但基本上都是

　　分辨率、视场、眼盒、图像质量、硬件重量/适配、形状参数和其他特征之间的权衡。在理想情况下，

　　每个人都希望时尚轻便的眼镜，有着 200×100 度的视场（匹配人眼），以及由《钢铁侠》主角托尼·史

　　塔克发明的完美图像质量。但由于头显/近眼显示器等等存在物理和光学的限制，使得这在可预见的未

　　来中成为不切实际的幻想。所以我们需要思量上述提到的权衡。

　　光学硬件完全在于权衡

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　　传统的组合器可产生合理的透视和成像质量，具有一致的性能和得益于几十年供应链发展而带来

　　的所能负担得起的材料。下图是两个常见的实现方式：作为平面组合器示例的偏振光束组合器（左上）；

　　作为弯曲组合器示例的离轴组合器（右上）

　　偏振光束组合器的实例包括谷歌眼镜，以及爱普生、瑞芯微（Rockchip）和台湾工业技术研究院

　　的智能眼镜。分束器可以使用 LCOS（硅基液晶）微型显示器进行偏振，例如谷歌眼镜；或者仅使用简

　　单的半色调反射镜。可惜的是，由于组合器的重量和尺寸限制，基于偏振光束组合器的显示器的视场通

　　常较小，并且可能存在光束分离导致的附加模糊，造成分辨率较低。谷歌眼镜的视场为 13 度 FOV，而

　　爱普生 BT-300 为 23 度，分辨率是 1280×720。两者都处于消费者显示器可接受范围的低端。然而，

　　更大的 FOV 和/或分辨率将需要更大和更重的硬件。

　　优点：轻、小、相对实惠（500 美元-700 美元左右）

　　缺点：有限的视场和分辨率，难以改进。

　　离轴、半球形组合器的最佳现代示例是 Meta 2。与其他品种的小型和轻型组合器不同，Meta 倾向

　　于更大的 FOV 和显示分辨率。他们推出单个 OLED 平板以支持“几乎 90 度 FOV”和 2560×1440 像素。

　　然而，他们的硬件体积巨大，跟 VR 头显（如 Oculus 和 HTC Vive）相似。另外的问题包括较低的角分

　　辨率（较少细节/图像不够清晰），以及组合器的塑料材料如何维持其质量（例如，随着时间的推移轻

　　微的抖动会得到强化，可能导致最终的视觉假象）。但这是他们为降低成本而做出的选择。弯曲组合器

　　另一个更早的实例是 Link 的 Advanced Helmet Mounted Display。

　　优点：宽视场和高分辨率，相对实惠（900 美元左右）

　　缺点：大而笨重，较低的角分辨率，材料质量风险。

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　　正如你所看到的，试图在 FOV 和分辨率上改进传统组合器意味着更小的眼盒，更厚的组合器光学

　　组件，更大的组合器，和/或更差的成像质量。它跟计算性能限制无关，而是跟光在硬件上的表现特性

　　有关。

　　为了解决这一硬性权衡问题，新技术正在采用非常规技术，如全息和衍射光学。这些技术使用所

　　谓的波导光栅或波导全息图逐渐提取由波导管中全内反射（TIR）引导的准直图像。波导管是用玻璃或

　　塑料制作而成的薄片，光被会在其中反射通过。实际上，你可以把波导想象成一个在你眼睛前面传输图

　　像的路由器