AR眼镜的显示器有几种工作原理?


波导和组合器对增强现实显示器意味着什么? 这个问题最初出现在Quora上。Quora是一个知识共享网络,这里具有独特见解的人通常会给出具有吸引力的答案。

 

由游戏开发者Aaron Yip在Quora上回答:

 

由于科学(钢铁侠,星际迷航等)和密集的硬件词汇,透视光学被披上一层神秘的面纱。 但是,实际上是很容易入手的。所以这将是一个可接触的,可向外行人介绍的话题。

 

让我们从基础开始。现在有一些透明显示器,可以将数字图像与现实世界混合。 光线需要从物体上反射出去,以定向到你的眼睛。在现实世界中,我们已经得到重定向光线。在数字世界中,我们需要创建人工光(例如从LED,OLED发射的光),然后将它们重新定向。将产生的计算机图像与真实世界结合的光学装置称为“组合器”。基本上,组合器的工作类似于半面镜,可以将显示光从新定向,并选择性地让光通过。

 

像问题所暗示的一样,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。并且显而易见,这两者并不相同,并且具有不同的权衡。

 

自20世纪60年代后期以来,透视显示器具有广泛的历史(我将添加一些内容,帮助读者获得更多的技术背景)。结果,出现了很多光学技术,但是这一切都归结为分辨率、视场、眼盒、图像质量、硬件重量/适配、美学形状因子和其他特征之间的基本权衡。理想情况下,每个人都想要时尚、拥有200x100度FOV(像人眼)方便使用的眼镜和完美的图像质量。但是HMD / NED的物理和光学限制(例如我们如何使用可穿戴硬件来反射和弯曲光线)让这些在可预见的未来变得不太现实。所以我们需要弄清楚我们所关心的权衡。

 

光学硬件就是权衡问题。

 

传统的组合器可以产生合理的透视和具有一致性能的成像质量以及几十年供应链发展所能负担的材料。我们可以讲述两个常见的实现方式,如下图所示:作为平面组合器示例的偏振光束组合器(左上)和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Google Glass以及来自Epson(日本)、Rockchip(中国)和ITRI(台湾)的智能眼镜。分束镜可以使用LCOS微显示器进行偏振,例如Google Glass,或者仅使用简单的半色调反射镜也可以实现。不幸的是,基于PBC的显示器由于组合器的重量和尺寸限制而倾向于小型,并且可能存在光束分离产生的附加模糊性。谷歌眼镜拥有13度FOV;Epson BT-300拥有23度FOV以及1280x720的分辨率。两者都是消费者显示器可接受范围的低端产品。然而,更大的FOV和/或分辨率将需要更大和更重的硬件。

 

优点:光线,体小,相对实惠(500-700美元)。

缺点:FOV和显示非常有限,难以提高。



离轴、半球形组合器的最佳示范案例是Meta 2。与其他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“近乎90度FOV”和双眼2560x1440的像素显示。然而,他们的硬件体积庞大,可与VR耳机(如Oculus和HTC Vive)相媲美。另外,存在低角度分辨率(不太详细/清晰的图像)以及组合器塑料材料如何保持其质量(例如,轻微的扰动被放大化,并且随时间的变化可能会产生视觉假象) 等问题- 因此,他们选择降低成本。使用弯曲组合器老生常谈的案例是Link的高级头盔安装显示器。

 

优点:高FOV和分辨率,相对实惠( 900美元)。

缺点:体积大,低角分辨率,材料质量问题。



正如你所看到的,在FOV和分辨率方面试图改进传统的组合器意味着更小的外壳、更厚的组合器光学件、远处更大的组合器以及更差的成像质量。它不是关乎计算性能限制,而是关于光线如何与硬件的交互的物理因素。

 

为了解决令人头疼的权衡问题,新技术正在推进非常规技术(如全息和衍射光学)的发展。这些技术使用所谓的波导光栅或波导全息图来逐渐提取由波导管中的全内反射(TIR)引导的准直图像。管道是光线可以通过的玻璃或塑料薄片。实际上,你可以想象一个路由器的波导,将图像呈现在眼睛上。



从技术上而言,波导是最复杂的透视光学器件,并且同样难以设计。然而这些想法不是最新的; 自80年代初以来,人们一直在探索光学波导。从那时起,像索尼(上图)、Konica / Minolta(上图)、诺基亚/微软(下图)、Magic Leap等公司都在研发各种波导组合器。



例如,表面浮置倾斜亚波长光栅是Microsoft Hololens所使用的。这里,波导在线性图案上具有一系列非常精细的结构。该衍射光栅像透镜一样可以使光线弯曲通过TIR,直到其朝向眼睛射来。这个过程的最好结果是“瞳孔扩张”; 出射光线可以轻微扩散以增加其FOV。

 

总而言之,最先进的波导技术可能会达到1920x1080分辨率,接近32Hx18V度FOV,并且没有传统组合器解决方案的体积和重量。Magic Leap专利表明其技术渴望接近120Hx80V度水平FOV,但可能最终达到50-55度FOV。这可能比传统的方法更有希望,但也是迄今为止能够实现的承诺。此外,波导组合器也有自己的一系列挑战。

 

首先,波导需要很大地精度,非常棘手,并且诸如光聚合物、DCG、卤化银等的体积全息介质可以因为环境温度,湿度和/或压力而改变。第二,角分辨率随着扩散而衰减(即,FOV对成像细节的权衡)。最后,还没有为技术建立供应链,因此大规模生产困难较大,成本较高。更不用说两家公司高昂的研发成本。

 

优点:在中型设备上可能产生更好的FOV和分辨率。

缺点:昂贵(估计3000 +美元),技术仍在发展中。 



总之,这个讨论主要围绕已经验证的和已探索拥有物理权衡限制(传统组合器)的领域展开。而后者是一个可以绕过这些物理限制(波导组合器)的领域。就个人而言,我认为波导技术的不信任不是完全没有理由的; 目前没有公共演示显示比传统组合器更好。另一方面,我也认为这些巨大的投资是有道理的。

 

消费者在大多数/所有传统的组合器硬件上已经不堪重负。在过去五十年的光学发展中,AR作为利基产品存在。在传统组合器(如ODG眼镜)中可能还存在一些有趣的改进,但对于微软和Magic Leap,波导是AR光学有希望被大众市场接受的项目



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