為什么打造一款A(yù)R眼鏡這么難？淺談AR光學(xué)方案

5G時代，隨著元宇宙概念的催化，AR眼鏡行業(yè)迎來了高速發(fā)展期。

回顧近兩年，市面上消費級AR眼鏡層出不窮，在市場教育普及的后時代，消費者對AR眼鏡的接受度明顯有所提升，那這是否意味著AR眼鏡最好的時代已經(jīng)到來？

誠然隨著攝像頭等關(guān)鍵元器件、人機交互等技術(shù)的發(fā)展，為AR眼鏡的體驗帶來質(zhì)的飛躍。AR眼鏡也趨于“更小、更輕、更薄”，但距離用戶渴望的高舒適度和沉浸感的要求仍距離尚遠(yuǎn)，這其中一個核心，就是AR眼鏡的光學(xué)模組。

光學(xué)模組是AR產(chǎn)品的核心

和手機相比，AR眼鏡相當(dāng)于把手機屏幕換成鏡片，將原先手機上看到的畫面在眼鏡上呈現(xiàn)，這就需要通過AR光學(xué)方案實現(xiàn)。

更形象地說，AR光學(xué)就是一個畫面放大器。為了提升用戶體驗，把顯示器盡量做小，同時畫面盡量大，顏色更真，亮度和對比度更高。

AR眼鏡經(jīng)歷過多種光學(xué)方案，目前市面上主流的光學(xué)方案主要是四種：棱鏡、自由曲面、Birdbath和光波導(dǎo)。

棱鏡方案

棱鏡方案光學(xué)顯示系統(tǒng)主要由投影儀和棱鏡組成：投影儀把圖像投射出來，繼而棱鏡將圖像直接反射到人眼視網(wǎng)膜中，與現(xiàn)實圖像相疊加，形成虛實融合的視覺體驗。

Google GlassAR眼鏡

該方案最具代表的產(chǎn)品是Google Glass。如圖所示，系統(tǒng)處于人眼上方，用戶想要看到圖像需要讓眼神聚焦在右上方，視場角和體積的矛盾也隨之產(chǎn)生。

Google Glass只有15°的視場角，但光學(xué)鏡片卻有10mm的厚度，加之存在著亮度不足，以及偶爾的顏色失真等現(xiàn)象，最終該產(chǎn)品也以“失敗”告終。

自由曲面方案

幾乎所有鏡頭都無法避免畸變。在傳統(tǒng)攝影中，我們可以通過后期（如PS）進(jìn)行圖片調(diào)整修正畸變，這主要是鏡片方案的放大率差異造成的。

而自由曲面則利用其不規(guī)則、自由的曲面，讓不同角度光束在穿過主軸時，可以保持近似的放大率，最大程度地減少像差。憑借顏色真、亮度高、對比度高等良好表現(xiàn)，自由曲面方案在早期得到業(yè)界認(rèn)可。

其中最具代表性的產(chǎn)品是日本愛普生AR眼鏡和美國夢境視覺的AR頭盔。但愛普生AR眼鏡23°的視場角，卻有13mm的厚度；美國夢境視覺的Meta2系列AR眼鏡雖然有90°的視場角，但其厚度超過50mm，僅光機系統(tǒng)重量就約為420克。

Birdbath方案

Birdbath得益于設(shè)計難度與量產(chǎn)成本的優(yōu)勢，已經(jīng)實現(xiàn)了AR終端的規(guī)模上量。

采用這種光學(xué)方案的AR設(shè)備有聯(lián)想Mirage AR頭顯和OPPO AR Glass 2021。這種設(shè)計方案視場角通常在50°，但極易造成光損失，第一次反射就有50%的光損失，因此鏡片普遍會比較黑，亮度和對比度較低，不適合室外使用。

我們可以發(fā)現(xiàn)，上面說到的這3類光學(xué)方案，都擺脫不了伴隨著視場角的擴大，鏡片變厚、體積增大，以及一定程度上存在亮度和色彩上的問題。

極致輕薄下的畫面呈現(xiàn)，體積小、重量輕的佩戴體驗，是光波導(dǎo)與自由曲面、棱鏡、Birdbath等光學(xué)方案的本質(zhì)區(qū)別。

光波導(dǎo)方案遠(yuǎn)期市場值得期待

光波導(dǎo)+microLED由于其鏡片輕薄、清晰度高、可視角度大、體積小等優(yōu)勢，被認(rèn)為是AR眼鏡光學(xué)方案的黃金搭檔。

光波導(dǎo)方案工作原理圖

基于波導(dǎo)技術(shù)的AR眼鏡，一般由顯示模組、波導(dǎo)和耦合器三部分組成。顯示模組發(fā)出的光線被入耦合器件耦入光波導(dǎo)中，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式向前傳播，到達(dá)出耦合器件時被耦合出光波導(dǎo)后進(jìn)入人眼成像。由于用波導(dǎo)折疊了光路，一般系統(tǒng)體積相對較小。

根據(jù)技術(shù)的不同，光波導(dǎo)又可分為陣列光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)。受限于衍射光波導(dǎo)的加工工藝，其視場均勻性和色彩均勻性較差，且生產(chǎn)成本較高；陣列光波導(dǎo)基于幾何光學(xué)原理，具有輕薄、較大的視場角和眼動范圍且色彩均勻的優(yōu)勢，可以給用戶帶來更好的視覺和使用體驗。

2021年，亮風(fēng)臺發(fā)布的這款5G AR智能眼鏡HiAR H100，即采用定制1.5mm陣列光波導(dǎo)光學(xué)鏡片，在成像清晰度、亮度、色彩均勻度、功耗等方面實現(xiàn)AR技術(shù)的突破，用戶佩戴后擁有清、薄、透的無感佩戴體驗。

結(jié)合LCOS微型顯示器，搭配1080 P分辨率的攝像頭和80%以上透光率的光學(xué)鏡片，畫面呈現(xiàn)更自然的、虛實融合的顯示效果。

當(dāng)然，任何一款A(yù)R產(chǎn)品，最終都要服務(wù)經(jīng)濟，賦能于人。

HiAR H100則是亮風(fēng)臺專為工業(yè)場景打造的一款A(yù)R智能眼鏡，工作人員可以通過全局語音交互的方式，在解放雙手的同時，眼前疊加設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，完成自主的設(shè)備巡點檢，供應(yīng)商遠(yuǎn)程評審、遠(yuǎn)程售后服務(wù)等多個場景，應(yīng)用于寶武、海爾、泰康保險等幾十個企業(yè)。

寫在最后

看完上文，有些伙伴可能要問：

光波導(dǎo)就是最好的光學(xué)方案？

它就是AR光學(xué)的未來嗎?

其實，目前市面上的光學(xué)方案還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，仍處于迷霧中探索的階段。

正如微軟、蘋果、谷歌對AR眼鏡產(chǎn)品和技術(shù)均有不同的見解，哪一條路才是康莊大道，還需要經(jīng)過大家不斷地找尋與市場的驗證。