為什么AR顯示技術(shù)不太可能在短期內(nèi)實現(xiàn)大幅擴展

移動AR已經(jīng)成為一個熱點話題。當(dāng)看到與微軟的HoloLens，Magic Leap的Creator Edition或DAQRI的Smart Glasses相關(guān)的熱門文章時，你會有一種AR似乎終于準(zhǔn)備好走進大眾市場的感覺。但是，所述設(shè)備依然存在諸多缺陷，尤為明顯的一個是顯示器。

近來熱門的媒體出現(xiàn)了各種推測和“功能建議”，大家似乎普遍認(rèn)為當(dāng)前的AR顯示器十分優(yōu)秀，而盡管視場依然過小，但很快就能達(dá)到優(yōu)秀的水平。諸如波導(dǎo)設(shè)計商DigiLens等顯示器廠商同樣加入了這輪視場喧囂之中，并于最近宣稱他們的AR顯示器很快就能達(dá)到150度的視場。

在本文中，DAQRI首席技術(shù)官Daniel Wagner、DAQRI首席光學(xué)設(shè)計工程師Louahab Noui和DAQRI研究總監(jiān)Adrian Stannard將嘗試解釋視場為什么不太可能在短期內(nèi)實現(xiàn)大幅擴展。本文另一個更為重要的目標(biāo)是，說明視場只是對AR顯示器重要的大約24個參數(shù)中的一個。其他參數(shù)的重要性不弱于FOV，同時尚未得到解決或可以獨立解決。實際上，目前大多數(shù)AR顯示技術(shù)早已存在于軍事或工業(yè)場景，而最近的進展更多是降低了相關(guān)的成本，全新的突破較少。具體整理如下：

1. AR顯示器的種類

目前主要有兩種AR顯示技術(shù)：光學(xué)透視和視頻透視。行業(yè)在過去已經(jīng)探索過這兩種選擇，但由于后者的局限性十分顯著，目前幾乎所有商用AR設(shè)備都采用光學(xué)透視顯示器。

1.1 光學(xué)透視顯示器

光學(xué)透視顯示器允許用戶“直接”（通過一組光學(xué)元件）感知現(xiàn)實世界。這種AR顯示器是通過為來自現(xiàn)實世界的光線添加額外光線來呈現(xiàn)虛擬內(nèi)容。由于這是一種添加操作，所以不可能顯示黑色或令現(xiàn)實世界變暗。所以，今天的無源光學(xué)系統(tǒng)無法顯示黑色虛擬內(nèi)容或繪制陰影。確實有實驗設(shè)備能夠以每像素級別阻止入射光，但它們遠(yuǎn)離實際應(yīng)用尚有十分遙遠(yuǎn)的距離，所以本文不作考慮。

今天主要存在兩種主要類型的光學(xué)透視顯示器：波導(dǎo)和自由空間系統(tǒng)（組合器）。就目前而言，波導(dǎo)（見下圖）顯然在高端領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，而且上述提到的所述設(shè)備都是基于波導(dǎo)：投影儀在波導(dǎo)的一個位置（內(nèi)耦合）插入圖像。由于全內(nèi)反射（Total Internal ReflecTIon；TIR），它將在波導(dǎo)內(nèi)反彈（就如同在光纖電纜之中），然后在另一個位置（外耦合）朝向眼睛出射。波導(dǎo)十分受歡迎，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)簡練的平面設(shè)計，但會帶來一系列的（圖像質(zhì)量）問題。

左邊是基于波導(dǎo)的光學(xué)透視顯示器；右邊是基于自由空間系統(tǒng)的光學(xué)透視顯示器

當(dāng)今最流行的波導(dǎo)替代方案是自由空間系統(tǒng)。由于采用自由形式元件，其設(shè)計過于復(fù)雜，但從光學(xué)角度來看比波導(dǎo)簡單很多，所以可以產(chǎn)生更高的圖像質(zhì)量。另外，一旦完全原型化，它們的生產(chǎn)成本將遠(yuǎn)低于波導(dǎo)。對基于自由空間系統(tǒng)的顯示器而言，一個常見的誤解似乎是它們通常必須很大才能實現(xiàn)大視場（如Meta2）。

波導(dǎo)的光學(xué)效率低，所以需要強大的投影儀。目前的實現(xiàn)方式是將作為光源的LED和作為圖像調(diào)制器的LCOS組合起來。自由空間系統(tǒng)通常足以應(yīng)用OLED，后者具有自發(fā)光的特性，可實現(xiàn)更小的投影儀設(shè)計。

1.2 視頻透視顯示器

對于視頻透視顯示器，一對攝像頭將記錄真實世界視圖，然后再通過不透明顯示器進行顯示，如OLED或LCD。虛擬內(nèi)容是通過常見的視頻混合技術(shù)進行添加，這意味著可以進行任何類型的操作，包括顯示黑色虛擬內(nèi)容和令現(xiàn)實世界變暗。

視頻透視顯示器的原理

可以進行適當(dāng)視頻混合的能力絕對是視頻通過光學(xué)透視的優(yōu)勢。盡管如此，現(xiàn)在基本所有的AR設(shè)備都采用光學(xué)透視。原因十分簡單：在視頻透視的情況下，我們在本文中討論的所有挑戰(zhàn)都適用于真實視圖和虛擬內(nèi)容。

相比之下，光學(xué)透視僅適用于虛擬內(nèi)容，而通過巧妙的UI設(shè)計我們可以更好地進行控制。動態(tài)范圍是一個明顯例子：盡管具有巨大動態(tài)范圍的人眼可以看到一個位于陽光之下的人和一個位于陰影之中的人相鄰站立，但今天的相機和顯示器無法解決這個問題。要么陰影中的人過暗，要么陽光下的人太亮。

另外，大視場是必要項，這不僅是為了匹配所部署的攝像頭系統(tǒng)，同時是為了模仿如肉眼所見的真實世界視場。另外，存在安全和人類因素等需要解決的問題。所以，本文的其余部分只探討光學(xué)透視顯示。

2. 設(shè)計參數(shù)

我們在本文假設(shè)視場只是AR顯示器的眾多基本設(shè)計參數(shù)之一。所述的大多數(shù)設(shè)計參數(shù)與F視場同樣重要。下面我們列出了最重要的屬性：

①視場

②視窗大小

③亮度，透明度和占空時間

④對比度

⑤均勻性和色彩質(zhì)量

⑥分辨率

⑦現(xiàn)實世界畸變

⑧虛擬圖像畸變

⑨人眼安全

⑩適眼距

?色差

?深度感知

?體積，重量和形狀參數(shù)

?光學(xué)效率

?延遲

?雜散光

我們可以相對輕松地以其他作為代價來改進一個參數(shù)。例如，如果可以接受大體積和小視窗，增加視場將不是什么難事。但大多數(shù)用戶可能不希望使用這樣的設(shè)備。另一方面，在小型顯示器中實現(xiàn)大視場和大視窗非常具有挑戰(zhàn)性。類似地，較大的視窗需要更多的光線來實現(xiàn)相同的感知亮度，所以需要更強大的光源。

下面描述的大多數(shù)參數(shù)今天都未達(dá)到最理想的狀態(tài)。所以，設(shè)備廠商的目標(biāo)是全方位地提升它們。但正如剛才提到的一樣，在不犧牲其他參數(shù)的情況下改進一個參數(shù)已經(jīng)十分困難。這種權(quán)衡的主要原因是所謂的系統(tǒng)光學(xué)擴展量。這是一個幾何不變量，如下面的公式所定義。類似于能量守恒，我們需要維持光學(xué)擴展量守恒。在最簡單的形式中，光束所通過的面積和光束所占有的立體角的乘積必須是常數(shù)。

光學(xué)擴展量守恒：h2越高，Ω2則越小

在圖片中，高度為h1的對象用作光源。對于所示透鏡系統(tǒng)的幾何形狀，得到的圖像高度h2> h1，而對象側(cè)的立體角Ω2小于Ω1。換句話說，如果面積擴大，則立體角減小，反之亦然。更正式的光學(xué)擴展量定義為：

其中n是介質(zhì)的折射率，θ是面積dA的發(fā)射（或接收）光束的角度。我們注意到光學(xué)擴展量沒有的標(biāo)準(zhǔn)符號，但“G”和“dG”經(jīng)常用于光學(xué)領(lǐng)域。類似術(shù)語出現(xiàn)在稱為拉格朗日不變量的近軸極限中：

其中h1和h2是對象和圖像高度，u1和u2分別是對象和圖像射線角度。G的替代表達(dá)式有時用于包含NA（數(shù)值孔徑）的顯微鏡物鏡：

如果為獲得恒定視場而嘗試擴大出射光瞳，光學(xué)擴展量將影響光引擎設(shè)計的效率和投影儀尺寸。以下圖的簡單投影儀設(shè)計為例，焦距為f的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直寬度為x的微型顯示面板（限制在一個維度）。無論是波導(dǎo)還是自由空間系統(tǒng)，投影儀的視場都是我們希望嘗試實現(xiàn)和通過顯示器中繼的目標(biāo)。

基于準(zhǔn)直微顯示面板的簡單頭顯投影儀

投影儀的高度（出射光瞳）由透鏡的直徑確定，而投影儀的視場θ由以下等式確定：