AR眼镜光学方案对比分析

AR 眼镜光学方案可分为五类，光波导方案优势明显为当前主流。

AR 与 VR 近眼显示的光学方案不同，AR 需更复杂的光学方案叠加虚拟与现实。AR 与 VR 的近眼显示系统都是将显示器上的像素，通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射 到人眼中。不同之处在于，AR 眼镜需要透视(see-through)，既要看到真实的外部世界，也 要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方，需要多加一个或一组光学组合器 (opticalcombiner)，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充“增 强”。光学方案是 AR 眼镜的核心技术，目前 AR 眼镜的光学方案主要分为棱镜方案、Birdbath 方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和光波导方案。衡量方案优劣的指标主要包括产 品厚度与重量、透光率、眼动范围、视场角、色差与图形畸变情况等。其中，视场角（FOV） 的大小决定了光学仪器的视野范围。

棱镜方案作为初始尝试技术成熟且成本低廉，但视场角、图像呈现效果、重量等无法达到 要求。棱镜方案的光学显示系统主要由微型投影仪和反射棱镜组成，微型投影仪负责将图 像投影出来，通过棱镜将图像直接反映到人眼的视网膜中，与现实画面叠加后即可形成虚 实结合的效果。虽然该方案技术成熟且量产成本低，但是为了保证显示内容足够清晰，该 方案通常采用包裹式，导致产品较厚，视场角小。棱镜方案以最早的 GoogleGlass 为代表， 由于系统处于人眼右上方，人必须将眼睛聚焦在右上方才可看到图像信息，且该系统存在 视场角和体积之间的天然矛盾。GoogleGlass 的视场角只有 15°左右，但棱镜厚度有 10mm， 由于亮度不足、图形畸变等问题被公司撤回。

Birdbath 方案结构简单视场角有所改善，但仍需优化佩戴体验感。Birdbath 方案原理为将 来自显示源的光线投射至 45 度的分光镜上，分光镜具有反射和透射值（R/T），允许光线以 R 的百分比进行部分反射，其余部分以 T 值传输。同时具有 R/T 允许用户同时看到现实世 界的物理对象以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线会弹射到通常为凹 面镜的合成器上，由此重新导向眼睛。Birdbath 方案的优势为结构简单、视场角较大、光 效好，且量产技术已经成熟，但是却比普通眼镜更加厚重，透过率低，也面临图形畸变的 问题。在该方案供应商中，惠牛科技提供了包括 CA50（CA50S70）、CA40(CA40S39）在 内的多个使用 Birdbath 方案的光学模组，其模组重量被控制在 5g 至 9g，画面畸变也控制 在了 0.6%至 1.0%的水平，从 2020 年开始研发的 CA43 新品是国内首个支持近视屈光可调 的 AR 光学显示模组。CA43 在 Rokid 推出 RokidAir 产品时被采用，眼镜重量仅 83 克，视 场角达 43 度，相比于棱镜方案有明显改善。

自由曲面方案成像质量高，产品高度和重量需要优化。自由曲面是一种有别于球面或者非 球面的复杂非常规面形，即用来描述镜头表面面形的数学表达式相对比较复杂，往往不具 有旋转对称性。该方案原理为光线由显示器发出直接射至合成器（即凹面镜）内，并且反 射回用户眼内。显示源的理想位置居中并与镜面平行。采用自由曲面方案的 AR 眼镜在成像 质量与色彩饱和方面比其他光学方案更具优势，但是依然面临产品厚重、图像畸变的问题。 在国内，自由曲面方案已经得到广泛应用，其代表公司为耐德佳。耐德佳在其消费级 AR 眼 镜 AR knovvA1 中推出并采用了自由曲面钻石 Pro AR 光学解决方案，在压缩光机体积的同 时扩大了镜片的面积，使得 AR 眼镜在外观上接近普通眼镜。自由曲面钻石 Pro 还具有高 能利用率，使用该方案的 AR 眼镜相比采用 Birdbath 的产品来说功耗更低。

全息透镜方案降低加工难度，但成像效果不理想。全息透镜方案利用了全息透镜的特性， 该方案原理为将一个全息准直透镜（Hd）和一个简单的线性光栅（Hg）记录在同一个全息 干板上，全息准直透镜将显示源射出的光束准直为平面波，并衍射进基底以进行全内反射 传输，同时线光栅将光束衍射输出进入人眼。这种方式降低了全息透镜本身的色散，产品 的视场角大，体积小。但是由于眼动范围小，而且有复杂的相差与严重的色散，全息透镜 的成像效果并不理想。North 曾推出了一款 AR 眼镜产品 North Focals，外形除镜腿比普通 眼镜粗以外，其他部位与普通眼镜十分相近。从产品功能来看，North Focals 提供了一块像 素为 300*300 的 15 度可视区域，承担手机上部分的显示功能,目前仅在加拿大销售。

光波导方案在多方面具有优势，当前为 AR 眼镜主流光学方案。基于波导技术的 AR 眼镜， 一般由光机、波导和耦合器三部分组成。光机内的微型显示器发出的光线通过透镜组被耦 合器件耦入光波导镜片中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达出耦合器件时被耦合 出光波导后进入人眼成像。由于使用波导折叠了光路，使得产品整体体积较小，符合轻量 化的发展趋势，加上光波导方案相比其他光学方案在成像清晰度、可视角度等方面均具有 优势，光波导方案有望成为 AR 眼镜的主流光学显示方案。光波导方案在总体上可分为几何 波导方案和衍射光波导方案两种。近年主流的日常消费级一体式 AR 眼镜大多采用衍射表面 浮雕光栅波导和几何阵列光波导这两种光学方案。

几何波导方案包括锯齿结构波导和偏振阵列光波导，仍使用传统光学器件有一维扩瞳效果。 几何光波导概念最先由以色列公司 Lumus 提出并一直致力于优化迭代，其基本原理为耦入 区域用于将微投影光机的光束耦入到波导片中，使得光束满足在波导片中全反射传播的条 件，耦出区域用于将全反射传播的光束耦出波导片并传到人眼。主流的偏振阵列波导是通 过利用多个等间距平行放置且有一定分光比的半透半反膜层来实现图像的输出和出瞳扩展， 从而具有轻薄、较大的视场和眼动范围且色彩均匀的优势，而锯齿结构波导则是在在眼睛 前方的位置利用锯齿状的有一定反射率的反射面，将光反射耦出到人眼。传统光学成像系 统中，图像通常只有一个“出口”，叫做出瞳。阵列光波导运用一维扩瞳技术(1DEPE)，其 “半透半反”镜面阵列相当于将出瞳沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图 像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像。

几何光波导图像质量可达到较高水准，但制作工艺流程繁杂良率较低。几何光波导运用传 统几何光学设计理念和制造流程，并未涉及微纳米级结构，其图像质量包括颜色和对比度 可以达到很高的水准，但制造工艺流程比较繁冗。主要体现在“半透半反”镜面阵列的镀 膜工艺。由于光在传播过程中逐渐损耗，阵列中多个镜面都需要不同的反射透射比(R/T)， 以保证整个动眼框范围内出光量均匀。并且由于几何波导传播的光通常是偏振的，导致每 个镜面的镀膜层数可能达到几十层。另外，这些镜面在镀膜后需层叠在一起并用特殊的胶 水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，过程中镜面之间的平行度和切割的角度都 会影响到成像质量。因此，即使每一步工艺良率尚可，数十步结合起来的总良率仍不理想。 常见瑕疵包括背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。

衍射光波导通过光栅调整，可以实现二维扩瞳。衍射光波导设计不依赖于几何光学，而利 用光的衍射效应，主要采用光栅结构实现对光束的调制。光栅通过设计可以将某一衍射级(即 某一方向)的衍射效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播，起到与 传统光学器件类似的改变光线传播方向的作用，但其所有的操作都在平面上通过微纳米结 构实现的，节省空间且自由度较传统光学器件大。衍射光栅是一个具有周期结构的光学元 件，该周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷，也可以是全息技术在材料内部曝光形 成的“明暗干涉条纹”，本质是在材料中引起折射率的周期性变化，因此衍射光波导方案主 要可以分为表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案。虽然光栅结构的设计过程较为 复杂，但提供了较大的设计自由度，通过计算优化光栅结构参数后的衍射光波导 AR 近眼显 示设备可以获得优良的成像效果与较大的视场，且相比几何光波导可以沿鼻梁的 Y 方向也 进行扩瞳，实现二维扩瞳。

表面浮栅光波导为当前最主流方案。浮雕光栅波导方案使用浮雕光栅（SRG）代替传统的 折反射光学器件（ROE）作为波导方案中耦入、耦出和出瞳扩展器件。表面浮雕光栅指的 是在表面产生的周期性变化结构，即在表面形成的各种具有周期性的凹槽。根据凹槽的轮 廓、形状和倾角等结构参数的不同，常用的表面浮雕光栅可以分为一维光栅与二维光栅。 一维光栅根据剖面形状划分为矩形光栅、梯形光栅、闪耀光栅和倾斜光栅等，二维光栅常 用的结构有六边形分布的柱状光栅。浮雕光栅波导方案具有大视场和大眼动范围的优势， 但是也会带来视场均匀性和色彩均匀性的挑战。表面浮雕光栅方案是当前 AR 眼镜的主流选 择，目前诸如微软 HoloLens 一代和二代、Magic Leap One、Rokid Vision AR 眼镜等多家 明星产品证明了衍射光波导的可量产性。

体全息光栅波导方案采用体全息光栅作为波导的耦入和耦出器件，通过双光束全息曝光技 术在介质中形成干涉条纹，从而可以获得折射率周期性变化的光栅结构。体全息光栅是一 种具有周期结构的光学元件，它一般通过双光束全息曝光的方式，直接在微米级厚度感光 聚合物薄膜内干涉引起了其折射率周期性变化，从而形成纳米级的光栅结构，可以对入射 光发生衍射作用，在色彩均匀性（无彩虹效应）和实现单片全彩波导上具有优势。微软的 HoloLens2 运用了浮雕光栅波导方案，重量 566g，视场角相比第一代大幅提高，对角达 52 度，但耗电量较多。体全息光栅波导的主要制备工艺是干涉曝光。通过使用激光激发的干 涉图案附着在基底上的光敏折射材料，材料特性随着光强度分布的不同而变化，最后获得 折射率周期性变化的结构。体光栅由于受到可利用材料的限制，目前在 FOV、光效率、清 晰度等方面都还未达到与表面浮雕光栅同等的水平。