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常见AR光学系统及原理对比
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。



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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。


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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、Free-space和Birdbath光学系统的结构需要较大的空间来实现。

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。

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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。

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Nreal Light,采用Birdbath光学方案

光波导技术有望成为AR眼镜的主流光学解决方案。在AR眼镜中,要想光在传输的过程中无损失无泄漏,光的全反射是关键。光机生成图像光影后,光波导可将光耦合进自身的玻璃基底中,并通过全反射的原理,使光传输到人眼前方实现成像。

光波导技术的优点有:


  • 通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框;

  • 成像系统旁置,不阻挡视线并且改善配重分布;

  • 外观形态更像传统眼镜;

  • 提供了“真”三维图像的可能性。







目前开发者对此技术最感兴趣,但也有其不足之处。




其中反射式光波导的光学效率更高,但成本也更高。
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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。

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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。

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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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