AR 光学方案简单科普
今天聊下 AR 的光学方案。和 VR 直接把屏幕怼在眼前，屏蔽所有外界的真实光线不同，AR 既要让外界光线入射人眼，又要保证屏幕所投射的光线也被人眼接收。怎么做？
把这个问题映射成一个真实的工程学问题。一面镜子，当直射的光线通过它时，可以直接透过。而当斜射的光线通过它时，光线被反射。这样，如果镜子的一边有一双眼睛，那么直面眼睛的光线可以透过镜子入射人眼，斜射光线则通过反射进入人眼，从而实现两类光线一起被眼睛接收的效果。
AR 光学方案的核心，也就是通过某种介质，使得在介质外侧的外界环境光线射入时，透射入眼，而屏幕光线与人眼同处介质内侧，光线通过介质时，能够被反射入人眼。
正好，光具有偏振属性，所以真的存在某些介质，使得角度不同的情况下，让两束光分别实现透射和反射。（图 0）
最早的介质是自由曲面反射镜（图1），又称离轴光学，使用 LCD 显示源和具有反射/透射功能的曲面镜，用在军方的飞行头盔上。这种结构使用简单，成本也低，但有个问题就是太大了。如果骑过电瓶车就好理解，电瓶车的骑行头盔，前面的那面弯曲的透明玻璃罩，就神似曲面反射镜。虽然技术很古老，但反射镜在 AR 领域的应用却在后面要讲的棱镜之后，Meta 2 搞过一次，视场角可达 90°，这是它的最大优点，但因为体积实在太大，也就昙花一现，没有后继者。
AR 领域，最早搞的是棱镜方案（图 2），棱镜也是一种具有反射/透射功能的介质。不过它有个特点，必须以立方体的形式呈现，比如想实现一块 2 cm* 2 cm 的 AR 显示区域，那么棱镜的厚度必须也达到 2 cm。所以它的体积也是个大问题，再加上棱镜对于光线的要求高，视场角只能达到 15°，呈像位置又偏离正前方，看久了容易斜视眼，因此 Google Glass 一代搞了下，后续就很快改进了。
改进的方案叫自由曲面棱镜（图3），原先棱镜是个四四方方的立方体，那有没有可能把棱镜表面优化下，做成弯曲的，最大程度地利用每一个位置的分光效果，既能扩大显示的范围，而不产生体积上夸张的扩大，同时也能增大视场角的范围。想法是好的，也确实有效，比如 EPSON 利用自由曲面棱镜，就把视场角提高到了 25°。但改进下来的自由曲面棱镜还是有点厚，同时由于表面形状的改变，环境光容易产生折射现象，干扰成像，所以一般还需要一个校正棱镜来消除这种影响，从而让整个光学结构的体积更大。
到这里也能够看出，AR 光学的演进一直是朝着轻量化发展的，在轻量化的同时，尽量兼顾视场角、进光量等问题。眼瞅着上古三剑客缝缝改改，到底有先天的弊端，BirdBath 就登场了。和 VR 中的 pancake 模组一样，Birdbath 的核心思路也是折叠。
棱镜在一次反射的情况下，需要厚度的支撑。BirdBath 则不然，它利用了分光镜和曲面镜两种（图 4）。分光镜相对光机 45° 角放置，具备反射/透射能力，光线通过分光镜反射到曲面镜（凹面镜），曲面镜再反射到人眼。同时，自然光线可以直接透过分光镜进入人眼。相比于上古三剑客，BirdBath 的体积小了不少，不过它又带来了另一个问题：光线折损太高。
来看 BirdBath 的细节图（图 5），屏幕（1）的光通过透镜（2）放大、变焦后，经由分光镜（3）反射到曲面镜（当然有一半的光线可能透过了，只有一半被反射），曲面镜（4 5 6）再把反射的光源再反射回去（利用 4 6 ，称之为四分之一波片，主要作用是使光发生翻转），这中间又发生了一层光线耗散（大概有一半耗损）。说白了，进入曲面镜的光源就只有屏幕光的 50%，又经过一层反射，最终到达人眼的可能只有原来的 25%。当然这个比值不是绝对的，但总之 Birdbath 要经过两层光耗损，使得其亮度值不够。
这种方案下，要么用 micro led 这种亮度超高的屏幕，要么把周围环境光本身降得很低，从而在暗处的对比下突出 AR 屏幕本身的亮度。超高亮度屏还没有量产，所以主流的方案都是把 AR 眼睛做的和墨镜似的，遮挡住周围的环境光。这种在室内如观影等场景下用还没有什么，室外用就很不方便了。
于是的于是，波导方案站了出来，这个流派主要有两个大兄弟：阵列光波导和衍射光波导。先说第一个。
阵列光波导，又称几何波导。传统的光学方案是，把棱镜、分光镜、曲面镜等等作为一种反射介质，这里面要么是多个器件，要么是要保证厚度。而阵列波导想的是：如果我可以让光沿着镜面来回反射，最终到达对应的位置，从而反射到人眼里，那么不需要太厚的棱镜就可以做这件事，体积不就下来了么。
波导，实际上也是光的一种传播形式：在比空气折射率大的介质中，光线以一个接近平行于表面的角度打到介质内壁，全部会经过反射继续传播，光线也不会反射出来。理论上，波导几乎可以无损传播光线。
波导理解了，那么什么叫阵列呢？我特别喜欢微信公众号 8864 解释，他把每个半透半反膜（具有透射/反射能力的介质）比作一个三通水管（图六）。光线从一个半透半反膜穿过，一半的光线反射出去，另一半继续穿过。如果被反射出去的方向正好是人眼，那么人眼就能看清光线中的景象。
但问题来了，一块半透半反膜所反射的光线，只有特定的视角才能看好。那么其他视角呢？是不是偏一偏就看不见了？道理当然是这样，那怎么办呢？不要忘记，光线除了反射到人眼的，还剩下一半穿透过去了。如果在穿透过去的光线后面再放置一块半透半反膜，那么光线又会被持续反射，从另一个角度进入人眼。
那么，如果想要多角度的看到事物，是不是可以形成一个半透半反膜队列（图七）？如图，光源处的光进入波导基底，每遇到一块半透半反膜，光就有一半被反射到人眼，那么，人眼可以就可以在不同角度看到光源的内容。
阵列，其实就是所谓的扩瞳技术，有了扩瞳，眼球转动的范围能扩大到 10 毫米，瞳距的适配范围也随之增大。但有个问题，如果每块半透半反膜的透反比（透射与反射的比值）都一样，那么反射光线的亮度会随着离光源的距离增加而递减。这当然不行，为了保持各个角度反射的光线都有着相同的角度，每块半透半反膜的透反比都会被调整，通过精确计算以获得合适的值。
扩瞳，除了横向，也可以纵向，只需要在波导基底中，同时沿水平和竖直方向设置半透半反膜，即可实现上下左右的视场角扩大。
阵列波导，具备很多优点，比如体积小、色彩还原度高（因为是反射），但设计较为复杂，为了保证出光量均匀，每个镜面的镀膜层可能达到几十层，镀膜层层累积，还需要用特殊的胶水粘合，良品率低。
除了阵列波导外，还有一种波导技术，称之为衍射光波导。前面我们提到的方案，都是通过分光膜（或者叫半透半反膜）的透反特性对光线进行的处理。其实还有一种技术，是利用光在光栅中的衍射进行传播。衍射又成绕射，即光在遇到障碍物时，会弯曲或折射。如图（图八），光在遇到光栅时，不断改变方向，但整体还是朝前的，通过设计光栅的齿形与各种参数（如材料折射率）可以将某一衍射级（即某一方向）的衍射效率优化到最高，使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。这样，通过一个个光栅的阻碍，光不断发生衍射，最终从光源处到达人眼。
衍射光波导一般分为三个区域，输入区，负责接收光信号，并传递给转折光栅区，转折光栅对光线进行水平扩瞳，并传递给输出区，输出区又进行了垂直扩瞳。因为输出区正对人眼，所以光线就全被人眼接收到了。
由于光栅本身特小，结构上小于 <100 nm，所以整体结构显得轻薄小巧，也是现在被热捧的技术。不过衍射波导中又有两类，一类叫表面浮雕光栅波导，用的纳米印压技术把光栅直接打出来，另一类是体全息光栅波导，和纳米印压出来的光栅不同，体全息本身是光敏材料，能够被射过来的激光曝光，曝光后形成类似纳米印压出来的条纹。理论上来说，体全息光栅是成本最低的。
相比阵列光波导，衍射光波导的优势在于体积更小，同时更容易做二维扩瞳，但缺点也有。首先是色彩精准度，衍射传播的色彩是仿真计算，并非真实解；其次是色散问题，衍射波导主要以某一方向进行传播，但光线仍会出现逸散，在这方便体全息比表明浮雕要差；最后是光效问题，衍射波导天然会浪费一部分光，即使通过光栅设计改进，但多级衍射必然会造成漏光。
目前来看，主流方向仍然是 Birdbath，但如果要在室外，波导技术还是未来的发展方向，如雷鸟 X2 采用的 Micro LED + 衍射光波导的方案。
另外再多讨论一下，其实 AR 不一定要追求高 FOV ，更重要的是以真实环境为基础的视觉增强，长时间观看时，人眼最舒适的视场角是在 15°。轻便还是最重要的，长时间佩戴的基础。
参考：
www.leiphone.com
zhuanlan.zhihu.com
www.abvr360.com
xueqiu.com
www.cmccap.com
zhuanlan.zhihu.com
xueqiu.com
developer.huawei.com
中国光学 增强现实显示技术综述 - 史晓刚