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引言 虚拟现实（VR）是一个独立的、可替换现实的人工虚拟环境，戴上VR设备，用户可以体验到一个完全不同且栩栩如生的数字世界，获得沉浸式体验。 VR产品相对成熟，其光学显示系统比较简单，一般由微显示屏和成像镜头两部分组成。 微显示屏输出的虚拟图像经成像镜头放大后呈现在人眼前。 微显示屏可以选择传统的LCD或新型的OLED；构成成像镜头的光学元件可选非球面透镜、菲涅尔透镜、超薄Pancake、微透镜阵列以及超表面元件等。  图1 左(a)：VR产品；右(b)：VR显示技术原理图 而AR（增强现实）是将虚拟信息投射到现实物理环境中，在空间上增强物理世界，达到虚实融合、相互增强的效果。 AR显示系统包括微显示屏、成像镜头和入眼介质三个部分，如下右图2(b)所示。   图2 左(a)：AR产品；右(b)：AR显示技术原理图 其中，微显示屏和成像镜头组成了微型光学引擎。 AR显示系统中的入眼介质共有两个功能，一方面可以透过真实环境的场景信息，另一方面可以将微显示屏输出的虚拟图像信息传输到人眼，从而实现图像增强。 ✦✦ 01 AR微型光学引擎的解决方案 AR微型光学引擎的关键器件是微型显示屏，而成像镜头一般根据微型显示屏尺寸、像元大小和光学系统参数定义进行优化设计。 微型显示屏的技术路径演化比较明确，逐步从传统成熟的被动式发光器件LCOS和DLP，向自主式发光芯片MicroLED发展。 传统的LCOS和DLP因为是被动式发光器件，需要配合前端的照明模块共同使用，这也导致了基于该显示芯片的光引擎存在体积大的缺点。 目前单色MicroLED量产工艺成熟，单片MicroLED尺寸可做到0.13'(英寸)，能够满足单色显示的产品需求。 但单片全彩色MicroLED存在红光发光效率低、量产工艺不稳定、小型化工艺复杂等问题，目前只有个别公司突破了0.31'尺寸的全彩色MicroLED样品开发。 目前基于MicroLED的全彩色光引擎的设计方案，以三个R/G/B MicroLED通过X-Cube合色为主。 随着MicroLED突破了微型化、全彩色设计和批量转移工艺后，基于单片全彩色MicroLED的设计方案有望成为未来显示光引擎的主流。  图3 AR中光引擎方案概览 此外，基于激光束扫描技术的LBS方案因亮度更高、色域更广、功耗更低等优点也备受关注，但因LD模组和MEMS器件目前仍存在小型化量产工艺、可靠性不稳定等限制因素，还需要更多的时间进行沉淀与发展。 ✦✦ 02 AR入眼介质的解决方案 AR入眼介质的解决方案主要分为传统几何光学、波导光学、全息光学元件（Holographic Optical Element, HOE）三大类。 传统几何光学方案包括棱镜、自由曲面/Birdbath方案等，工作原理均依赖于斯涅尔折射、反射定律等传统几何光学原理。 波导光学方案包括几何阵列光波导、表面浮雕光栅衍射光波导（Surface Relief Grating, SRG）、体全息衍射光波导（Volume Hologram Grating, VHG）、偏振体全息光波导（Polarization Volume Grating, PVG）等，除几何阵列光波导的实现原理依赖于几何光学外，其他都是基于光栅的衍射原理来实现光束调控的。 1、棱镜 棱镜方案以最早的Google Glass为例，其光学显示系统由微型光学引擎和棱镜组成，光引擎输出虚拟图像信息，经棱镜后直接反射到人眼视网膜中，与现实图像进行叠加。 由于系统处于人眼右上方，人必须将眼睛聚焦在右上方才可看到图像信息，且该系统存在视场角和体积之间的天然矛盾。 Google Glass的视场角只有15°左右，但棱镜厚度有10mm，并且图像存在较大的畸变，目前该技术方案已被市场淘汰。  图4 Google Glass工作原理示意图 2、自由曲面/Birdbath Birdbath光学方案以Nreal Air产品为例，其工作原理如下图5所示。  图5 Nreal产品示意图和Birdbath方案工作原理图 微型显示屏输出虚拟图像投射至分光镜，分光镜一般为45°放置的镀有部分反部分透膜的平板玻璃。 部分光线经过分光镜后，反射到凹面反射镜，到达凹面反射镜后经再次反射，通过分光镜到达人眼，其余部分光线则直接透过传输。 凹面镜同时具有反射和透射功能，允许用户同时看到显示屏输出的虚拟数字信息和现实世界的真实信息。 该方案具有原理简单，重量轻，成本低，成像质量佳等优点，技术比较成熟，已经实现商业化，目前市面上常见的观影类AR眼镜基本都采用该方案。 但该方案也存在形状因子太大、模组较厚、形似墨镜、无法与佩戴者进行眼神交流等缺点，只能成为AR眼镜技术路径演化过程中的阶段性过渡产品，无法成为全天候消费级AR产品的最终形态。 |
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