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引言 虛擬現(xiàn)實（VR）是一個獨立的、可替換現(xiàn)實的人工虛擬環(huán)境，戴上VR設(shè)備，用戶可以體驗到一個完全不同且栩栩如生的數(shù)字世界，獲得沉浸式體驗。 VR產(chǎn)品相對成熟，其光學(xué)顯示系統(tǒng)比較簡單，一般由微顯示屏和成像鏡頭兩部分組成。 微顯示屏輸出的虛擬圖像經(jīng)成像鏡頭放大后呈現(xiàn)在人眼前。 微顯示屏可以選擇傳統(tǒng)的LCD或新型的OLED；構(gòu)成成像鏡頭的光學(xué)元件可選非球面透鏡、菲涅爾透鏡、超薄Pancake、微透鏡陣列以及超表面元件等。  圖1 左(a)：VR產(chǎn)品；右(b)：VR顯示技術(shù)原理圖 而AR（增強現(xiàn)實）是將虛擬信息投射到現(xiàn)實物理環(huán)境中，在空間上增強物理世界，達到虛實融合、相互增強的效果。 AR顯示系統(tǒng)包括微顯示屏、成像鏡頭和入眼介質(zhì)三個部分，如下右圖2(b)所示。   圖2 左(a)：AR產(chǎn)品；右(b)：AR顯示技術(shù)原理圖 其中，微顯示屏和成像鏡頭組成了微型光學(xué)引擎。 AR顯示系統(tǒng)中的入眼介質(zhì)共有兩個功能，一方面可以透過真實環(huán)境的場景信息，另一方面可以將微顯示屏輸出的虛擬圖像信息傳輸?shù)饺搜?，從而實現(xiàn)圖像增強。 ?? 01 AR微型光學(xué)引擎的解決方案 AR微型光學(xué)引擎的關(guān)鍵器件是微型顯示屏，而成像鏡頭一般根據(jù)微型顯示屏尺寸、像元大小和光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)定義進行優(yōu)化設(shè)計。 微型顯示屏的技術(shù)路徑演化比較明確，逐步從傳統(tǒng)成熟的被動式發(fā)光器件LCOS和DLP，向自主式發(fā)光芯片MicroLED發(fā)展。 傳統(tǒng)的LCOS和DLP因為是被動式發(fā)光器件，需要配合前端的照明模塊共同使用，這也導(dǎo)致了基于該顯示芯片的光引擎存在體積大的缺點。 目前單色MicroLED量產(chǎn)工藝成熟，單片MicroLED尺寸可做到0.13'(英寸)，能夠滿足單色顯示的產(chǎn)品需求。 但單片全彩色MicroLED存在紅光發(fā)光效率低、量產(chǎn)工藝不穩(wěn)定、小型化工藝復(fù)雜等問題，目前只有個別公司突破了0.31'尺寸的全彩色MicroLED樣品開發(fā)。 目前基于MicroLED的全彩色光引擎的設(shè)計方案，以三個R/G/B MicroLED通過X-Cube合色為主。 隨著MicroLED突破了微型化、全彩色設(shè)計和批量轉(zhuǎn)移工藝后，基于單片全彩色MicroLED的設(shè)計方案有望成為未來顯示光引擎的主流。  圖3 AR中光引擎方案概覽 此外，基于激光束掃描技術(shù)的LBS方案因亮度更高、色域更廣、功耗更低等優(yōu)點也備受關(guān)注，但因LD模組和MEMS器件目前仍存在小型化量產(chǎn)工藝、可靠性不穩(wěn)定等限制因素，還需要更多的時間進行沉淀與發(fā)展。 ?? 02 AR入眼介質(zhì)的解決方案 AR入眼介質(zhì)的解決方案主要分為傳統(tǒng)幾何光學(xué)、波導(dǎo)光學(xué)、全息光學(xué)元件（Holographic Optical Element, HOE）三大類。 傳統(tǒng)幾何光學(xué)方案包括棱鏡、自由曲面/Birdbath方案等，工作原理均依賴于斯涅爾折射、反射定律等傳統(tǒng)幾何光學(xué)原理。 波導(dǎo)光學(xué)方案包括幾何陣列光波導(dǎo)、表面浮雕光柵衍射光波導(dǎo)（Surface Relief Grating, SRG）、體全息衍射光波導(dǎo)（Volume Hologram Grating, VHG）、偏振體全息光波導(dǎo)（Polarization Volume Grating, PVG）等，除幾何陣列光波導(dǎo)的實現(xiàn)原理依賴于幾何光學(xué)外，其他都是基于光柵的衍射原理來實現(xiàn)光束調(diào)控的。 1、棱鏡 棱鏡方案以最早的Google Glass為例，其光學(xué)顯示系統(tǒng)由微型光學(xué)引擎和棱鏡組成，光引擎輸出虛擬圖像信息，經(jīng)棱鏡后直接反射到人眼視網(wǎng)膜中，與現(xiàn)實圖像進行疊加。 由于系統(tǒng)處于人眼右上方，人必須將眼睛聚焦在右上方才可看到圖像信息，且該系統(tǒng)存在視場角和體積之間的天然矛盾。 Google Glass的視場角只有15°左右，但棱鏡厚度有10mm，并且圖像存在較大的畸變，目前該技術(shù)方案已被市場淘汰。  圖4 Google Glass工作原理示意圖 2、自由曲面/Birdbath Birdbath光學(xué)方案以Nreal Air產(chǎn)品為例，其工作原理如下圖5所示。  圖5 Nreal產(chǎn)品示意圖和Birdbath方案工作原理圖 微型顯示屏輸出虛擬圖像投射至分光鏡，分光鏡一般為45°放置的鍍有部分反部分透膜的平板玻璃。 部分光線經(jīng)過分光鏡后，反射到凹面反射鏡，到達凹面反射鏡后經(jīng)再次反射，通過分光鏡到達人眼，其余部分光線則直接透過傳輸。 凹面鏡同時具有反射和透射功能，允許用戶同時看到顯示屏輸出的虛擬數(shù)字信息和現(xiàn)實世界的真實信息。 該方案具有原理簡單，重量輕，成本低，成像質(zhì)量佳等優(yōu)點，技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，目前市面上常見的觀影類AR眼鏡基本都采用該方案。 但該方案也存在形狀因子太大、模組較厚、形似墨鏡、無法與佩戴者進行眼神交流等缺點，只能成為AR眼鏡技術(shù)路徑演化過程中的階段性過渡產(chǎn)品，無法成為全天候消費級AR產(chǎn)品的最終形態(tài)。 |
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