1、AR眼鏡中的光學顯示方案

 增強現實技(jì)術(shù)即AR技(jì)術(shù)是在展示真實場(chǎng)景的同時(shí)，通(tōng)過圖像、視(shì)頻、3D模型等技(jì)術(shù)為(wèi)用戶提供虛拟信息，實現将虛拟信息與現實世界巧妙地相互融合，屬于下一個(gè)信息技(jì)術(shù)的引爆點，據權威預測增強現實眼鏡将會(huì)取代手機成為(wèi)下一代的協作(zuò)計(jì)算(suàn)平台。以增強現實眼鏡為(wèi)代表的增強現實技(jì)術(shù)目前在各個(gè)行(xíng)業開(kāi)始興起，尤其在安防和(hé)工業領域，增強現實技(jì)術(shù)體(tǐ)現了無與倫比的優勢，大(dà)大(dà)改進了信息交互方式。目前比較成熟的增強現實技(jì)術(shù)中的光學顯示方案主要分為(wèi)棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和(hé)波導（Lightguide）方案。

1.1 棱鏡方案

 棱鏡方案以Google Glass為(wèi)例，如圖1中所示，其光學顯示系統主要由投影(yǐng)儀和(hé)棱鏡組成。投影(yǐng)儀把圖像投射出來(lái)，然後棱鏡将圖像直接反射到人(rén)眼視(shì)網膜中，與現實圖像相疊加。由于系統處于人(rén)眼上(shàng)方，需要将眼睛聚焦到右上(shàng)方才能看到圖像信息，而且這一套系統，存在一個(gè)視(shì)場(chǎng)角vs體(tǐ)積的天然矛盾。Google Glass系統視(shì)場(chǎng)角較小(xiǎo)，僅有(yǒu)15度的視(shì)場(chǎng)角，但(dàn)是光學鏡片卻有(yǒu)10mm的厚度，而且亮度也不足，圖像存在較大(dà)的畸變，所以産品進入市場(chǎng)後不久便被公司撤回。

1.2 Birdbath方案

 Birdbath方案中的光學設計(jì)是把來(lái)自顯示源的光線投射至45度角的分光鏡上(shàng)，分光鏡具有(yǒu)反射和(hé)透射值（R/T），允許光線以R的百分比進行(xíng)部分反射，而其餘部分則以T值傳輸。同時(shí)具有(yǒu)R/T允許用戶同時(shí)看到現實世界的物理(lǐ)對象，以及由顯示器(qì)生(shēng)成的數(shù)字影(yǐng)像。從分光鏡反射回來(lái)的光線彈到合成器(qì)上(shàng)。合成器(qì)一般為(wèi)一個(gè)凹面鏡，可(kě)以把光線重新導向眼睛。采用這種光學顯示方案的AR頭顯裝置主要有(yǒu)聯想Mirage AR頭顯(圖2(a))與ODG R8和(hé)R9(圖2(b))。其中ODG有(yǒu)50度的視(shì)場(chǎng)角，其厚度則超過20mm。

1.3 自由曲面方案

 自由曲面方案中一般采用有(yǒu)一定反射/透射（R/T）值的自由曲面反射鏡，自由曲面是一種有(yǒu)别于球面或者非球面的複雜非常規面形，即用來(lái)描述鏡頭表面面形的數(shù)學表達式相對比較複雜，往往不具有(yǒu)旋轉對稱性。顯示器(qì)發出的光線直接射至凹面鏡/合成器(qì)，并且反射回眼內(nèi)。顯示源的理(lǐ)想位置居中，并與鏡面平行(xíng)。從技(jì)術(shù)上(shàng)講，理(lǐ)想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛，所以大(dà)多(duō)數(shù)設計(jì)都将顯示器(qì)移至“軸外”，設置在額頭上(shàng)方。凹面鏡上(shàng)的離軸顯示器(qì)存在畸變，需要在軟件/顯示器(qì)端進行(xíng)修正。由于自由曲面不僅能為(wèi)光學系統的設計(jì)提供更多(duō)的自由度，使系統的光學性能指标得(de)到顯著提高(gāo)，而且為(wèi)系統設計(jì)帶來(lái)更加靈活的結構形式，因此成為(wèi)近年來(lái)光學設計(jì)領域的研究熱點，其中最具代表性公司有(yǒu)日本愛(ài)普生(shēng)公司(如圖3所示)以及美國夢境視(shì)覺公司的Meta系列(如圖4所示)。日本愛(ài)普生(shēng)公司的AR眼鏡雖然在色彩、飽和(hé)度和(hé)成像質量方面博 彩，但(dàn)是它僅有(yǒu)23度的視(shì)場(chǎng)角，而且有(yǒu)13mm的厚度。美國夢境視(shì)覺公司的Meta2系列AR眼鏡雖然有(yǒu)90度的視(shì)場(chǎng)角，但(dàn)是其厚度超過50mm，僅光機系統重量就約為(wèi)420克。