AR技術(shù)引言

AR(增強現(xiàn)實)技術(shù)是下一代前沿視覺顯示技術(shù)。完美的AR顯示需要光、機、電、聲的無縫配合以呈現(xiàn)一場科技盛宴。光學(xué)無疑是顯示技術(shù)中的核心，本文將從光學(xué)角度切入探索AR世界。

人類消費數(shù)字內(nèi)容的方式正在發(fā)生歷史性的變化。固定的獨立顯示設(shè)備，例如電視和計算機顯示器，將很快加入收音機和報紙，成為過時的媒體傳遞設(shè)備。同樣，我們低頭看手機的日子也可能不再持續(xù)。新一代的顯示設(shè)備即將出現(xiàn)，將提供前所未有的視覺刺激。增強現(xiàn)實（AR）正處于數(shù)字顯示革命的前沿。本篇文章旨在討論實現(xiàn)這一革命所需的光學(xué)顯示技術(shù)，因為沒有成功的硬件實現(xiàn)，這只是一個夢想而非現(xiàn)實。

在增強現(xiàn)實光學(xué)顯示中，用戶既可以看見保留的現(xiàn)實世界的內(nèi)容又可以獲得擴展的數(shù)字顯示內(nèi)容。圖1中展示了一些增強現(xiàn)實體驗的示例。由于AR保留了現(xiàn)實世界的視圖，它對我們的生活產(chǎn)生了更大的影響。

AR光學(xué)技術(shù)歷史與起源

自1960年以來，光學(xué)透視增強現(xiàn)實（AR）顯示一直在不斷發(fā)展。Ivan Sutherland的第一個計算機圖形驅(qū)動顯示器被戲稱為“達摩克利斯之劍”。 它是第一個頭戴式顯示器，盡管其體積龐大且需要懸掛使用。這一設(shè)備標志著計算機圖形學(xué)與人機交互領(lǐng)域的重要進步，并為后續(xù)AR技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著個人電腦的普及，AR技術(shù)在1980年代開始進入消費者市場。基于頭盔的顯示器提供了40°×30°的視場，集成了頭部跟蹤功能，為用戶帶來了沉浸式的體驗。這些早期的AR頭盔雖然在技術(shù)上有所限制，但它們?yōu)榻裉斓腁R眼鏡和應(yīng)用提供了寶貴的設(shè)計參考。早期的AR項目使工程師們意識到，除了在硬件方面進行創(chuàng)新外，還需要深入了解增強視覺對人類感知的影響，以減輕長時間使用可能導(dǎo)致的不良副作用，例如惡心、頭暈、疲勞或頭痛 。

AR光學(xué)與人眼視覺系統(tǒng)

為了更加深入了解AR顯示的光學(xué)技術(shù)，首先需要了解外部世界與人類視覺的交流樞紐—人眼視覺系統(tǒng)。

AR顯示系統(tǒng)是專門針對人類視覺所設(shè)計的一套光學(xué)系統(tǒng)。為了獲得一個擁有優(yōu)異光學(xué)性能的AR顯示系統(tǒng)，不可避免地需要了解人眼。雖然人眼是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但使用簡單的人眼光學(xué)模型（如圖3）足以滿足對AR光學(xué)系統(tǒng)的了解。角膜是眼睛的主要聚焦元件，提供大部分聚焦能力。晶狀體通過肌肉調(diào)節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)聚焦。虹膜作為光闌，控制進光量和成像質(zhì)量。視網(wǎng)膜前的玻璃體不參與聚焦。眼睛旋轉(zhuǎn)中心位于角膜后約11毫米處。

視網(wǎng)膜可視為與眼球曲率相匹配的非平面探測器。它由兩種像素組成：數(shù)量較多的桿狀體負責周邊視覺，而密集的錐狀體則集中在黃斑區(qū)，提供高分辨率的中心視覺。眼睛通過快速掃描黃斑區(qū)的高分辨率區(qū)域來感知清晰圖像。根據(jù)奈奎斯特采樣理論，眼睛的最大理論分辨率為每毫米200個周期，實際可達每毫米110個周期，相當于一弧分的視角。這種高分辨率僅限于視場中心，分辨率隨著視場增大迅速下降。最鮮明的圖像來自于可見光譜的綠色帶。

圖3 圖片來源：Springer Handbook o? AR

AR光學(xué)系統(tǒng)視覺相關(guān)重要參數(shù)

在了解眼睛如何作為成像系統(tǒng)工作后，我們接下來開始討論用于給眼睛成像的光學(xué)系統(tǒng)了。許多為人類視覺系統(tǒng)服務(wù)的光學(xué)系統(tǒng)的目標是將放大的圖像呈現(xiàn)給眼睛，包括AR顯示系統(tǒng)。這種類型的光學(xué)系統(tǒng)屬于目鏡設(shè)計類別。目鏡的一個獨特特征是它們設(shè)計有外部瞳孔。為了避免在使用目鏡時出現(xiàn)視場漸暈，光學(xué)系統(tǒng)的外部瞳孔必須與眼睛的入射瞳孔重合，即通過角膜的虹膜圖像，位于角膜后面約3.05毫米處。如果目鏡與眼睛不匹配就會發(fā)生畫面裁剪或漸暈的情況。

圖4

眼動范圍（Eye Box）的概念與瞳孔密切相關(guān)。光學(xué)系統(tǒng)的眼動范圍被定義為用戶可以放置眼睛的三維區(qū)域，其中視場的漸暈是可接受的，并且圖像質(zhì)量滿足規(guī)格要求。眼動范圍通常設(shè)計得比眼睛的瞳孔大，以便容易、靈活地使用，并適應(yīng)給定頭部位置的自然眼睛旋轉(zhuǎn)。

眼間距(Eye Clearance)是AR顯示器的一個與眼動范圍相關(guān)的參數(shù)，影響用戶的舒適度（如圖4）。眼間距定義為眼睛入射瞳孔與AR顯示器組件的任何結(jié)構(gòu)特征之間的最小距離。這與更常見的視距(Eye Relief)規(guī)格相似，但除了光學(xué)組件外，還考慮了機械特征。如果眼間距太短，AR顯示器的部分會與用戶的臉部或鼻子發(fā)生碰撞。如果眼間距太大，AR顯示器會從用戶臉上難看地突出。光線傳播的長度更長、傳播范圍更大，從而導(dǎo)致更大、更冗余的光學(xué)元件。因此，眼鏡距離臉部約17-20毫米可參考為AR顯示的最佳眼間距。

視場角

圖5 圖片來源：Springer Handbook o? AR

一旦眼睛位于眼動范圍內(nèi)，就可以看到完整的虛擬圖像，而視場角決定了虛擬圖像的大小。視場角是AR顯示系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)之一，通常會給用戶留下最深刻的印象。視場越大，體驗越沉浸。AR顯示器所需的視場根據(jù)應(yīng)用的不同而有很大差異。對于文本顯示和通知，15°的小視場可能就足夠了。對于沉浸式游戲，尋求90°或更大的視場(如圖5)。

畸變

圖6圖片來源：Springer Handbook o? AR

隨著視場角的增加，圖像畸變也會增加。在旋轉(zhuǎn)對稱的視覺系統(tǒng)中，畸變要么是純徑向的枕形形式，要么是桶形形式，如圖8.10所示，當畸變百分比大于1%時，人眼可以明顯感知到畸變。但AR系統(tǒng)往往不具有旋轉(zhuǎn)對稱性，因此失真很少僅僅是徑向的，非對稱畸變也是AR成像畸變的重要組成(如圖6)。