深入光学设计Birdbath、曲面反射和波导,浅谈AR头显工作原理

文章相关引用及参考:映维网

本文来自Hologram的产品总监Rob Delwo

映维网 2018年05月29日)增强现实头显是如此的新颖,以至于行业将有着截然不同设计的头显进行比较,仿佛它们是相同的技术那般。这就像是将所有的山地自行车划分为“自行车”一样。但我们知道,1万美元的Yeti山地自行车与179美元的Schwinn休闲自行车有着截然不同的体验。与自行车一样,不同AR头显的体验可能存在巨大的差异。在这篇文章中,映维网将与大家一起探讨光学设计,并讲解三种主要类型的头显:“Birdbath”;曲面反射镜(又名“虫眼”);以及反射/衍射波导。

1. Birdbath光学设计

联想Mirage AR头显的Birdbath光学设计

工作原理:Birdbath光学设计把来自显示源的光线(上图中的蓝线)投射至45度角的分光镜(垂直于前额的黑色矩形)。分光镜具有反射和透射值(R / T),允许光线以R的百分比进行部分反射,而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象,以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线弹到合成器上。这是一个凹面镜,可以把光线重新导向眼睛(上图中的虚线)。

采用这种光学设计的主要头显包括:联想Mirage AR头显与ODG R8和R9。

Mirage AR头显

硬件组件:像联想Mirage AR这样的低成本头显采用了LCD显示屏,而ODG R9这样更高级的系统则搭载OLED微型显示屏。微型显示屏价格比较昂贵,但能够大幅优化头显的尺寸。就光学而言,分光镜和组合器的单向镜在制造成本上通常比较低。

视场:这种设计具有中等视场。ODG R9有50度的FOV,与高端波导技术相比该范围相对较高,但小于大多数的曲面镜设计。

光损:在50/50分束器中,第一次反射时出现50%的光损,当光线到达组合器时会有额外的损失,而且当光线通过分束器返回时又产生另外50%的光损。为了弥补明显的光损,透镜非常暗,类似于在室内穿戴太阳眼镜。

形状尺寸:如果把LCD作为显示器来源,光学限制将要求更大的头显设计。微型OLED可以减少头显的尺寸,但增加了供应链和成本方面的困难。

ODG R9

图像质量:当光源从组合器里面和外面反射时,它可能会产生名为重影的伪影现象。

由于显示器上的1080P图像出现扩展,LCD显示屏将产生更大的像素(低像素密度)。微型显示器提供更高的像素密度,因此它们能够以非常小的尺寸生成高分辨率,但代价是亮度下降。

重影

透镜透明度:如前所述,厂商通常把黑色透镜放在镜片的前面,使得你难以看到用户的眼睛,尤其是在室内。

2. 曲面镜/“虫眼”光学设计

虫眼光学设计

工作原理:虫眼头显采用了相对简单的光学设计。它搭载了低成本的LCD显示源,以及带反射/透射(R/T)值的曲面反射镜。显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器,并且反射回眼内。显示源的理想位置居中,并与镜面平行。从技术上讲,理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛,所以大多数设计都将显示器移至“轴外”,设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变,需要在软件/显示器端进行修正。

Meta 2头显

采用这种光学设计的头显主要包括:Mira Prism,Meta 2,Leap Motion,Dream World。

硬件组件:LCD显示屏可以是手机或现成的LCD面板。虽然可以专门生产专门的透镜,但它们需要定制的光学镀膜。

视场:由于显示器远离眼睛,视场可以明显大于当前的波导范围(范围在50至105度)。

光损:由于光线仅通过一个组合器/透镜,光损限于“一次通过”,并且远低于Birdbath设计。

Leap Motion的北极星头显

形状尺寸:为了扩大数字图像,并且令其大到可以叠加在真实世界之中,LCD源与透镜的距离需要足够远。

Mira头显

图像质量:像素密度可能是该设计的一个问题,特别是如果你将智能手机用作光源。双LCD显示器是帮助提高像素密度的一种方法。Leap Motion头显采用了两个1600×1440的LCD显示器。

透镜透明度:我们可以通过较亮的LCD和较少的基板来减轻光损问题,这种显示器可提供更清晰的透镜(更高的R/T值)。如上图所示,Mira透镜的透明度足以让你看到用户的眼睛。

3. 反射/衍射波导

Digilens衍射波导

工作原理:波导代表了光学技术的一种新形式,在形状尺寸,清晰度和重影方面提供了显著的优势,但技术仍然处于开发阶段。显示源通常使用LCOS(硅基液晶)或DLP显示器。LCOS和DLP都通过衍射光栅发射准直光线。该衍射光栅可以重新导向光线,并最终形成扩大的图像,然后再将其投射到眼内。

虽然波导显示器和高分辨率AR体验令人兴奋,但它们的制造成本非常高昂,而且存在明显的废品率。预计波导价格将随着制造工艺的发展而降低,但它们目前仍是高端头显的成本大头。波导头显的零售价在3000美元至5000美元之间。

采用波导的头显主要包括:微软HoloLens,Maigc Leap One,DAQRI。

硬件组件:衍射波导光学元件包括多层结构,每种颜色都有一层。由于在纳米级别难以对齐衍射RGB层,所以在制造中存在非常的废品率。Lumus专有的反射波导避免了多层生产工艺,令生产过程变得更加轻松。LCOS通常用作显示源,因为它非常紧凑并且提供准直光(波导技术的一项要求)。

微软HoloLens

视场:与其他显示器相比,这种光学设计的视场非常小。在今天,40度视场是标准,而厂商正努力在不损害质量的情况下实现50度视场。

图像质量:波导显示器的亮度在所有光学设计中排名第一,而且没有重影现象。今天大部分的显示器都是720P,但这种情况将很快发生改变。在CES 2018大会上,Lumus的显示器已经支持1080P和40度视场。

形状尺寸:这项技术正越来越接近于眼镜形态,但AR头显需要搭载其他元件:显示源,摄像头和IMU,所以我们在近期内无法实现太阳眼镜般的外形尺寸。

透镜透明度:不需要着色。如DAQRI头显所示,透镜非常清晰,可供室内使用。

DAQRI头显

像所有硬件产品一样,上述头显的设计都是经过了一系列的权衡。厂商需要仔细平衡每个电子元件的优点与缺点,位置,重量,尺寸,价格等方面,而每个选项都对设计产生巨大的影响。综合考虑材料的易用性和成本,我们认为LCD曲面镜/虫眼设计是当前最容易理解的选择。但这种设计选择并不是AR头显的长期发展方向。随着生产线的逐渐增加与生产工艺的发展,它们将很快由微型显示器和/或波导管取代。作为消费者,这个未来令人感到兴奋。映维网希望在不久的将来,更小巧和更先进的眼镜形态可以流行起来,而且价格亲民。

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颜昳华

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