几种常见光学系统及原理对比，AR用的仍在开发中

光学系统是AR设备中的一个重要组成部分

在AR设备中，为了实现投影中的图像和真实世界的结合，必须有一个光学系统。在这篇文章中，阐述了几种常见的光学系统及其原理，并进行了简单的对比。

在设计AR的光学系统时，需要考虑以下几个要素：

• 光效率（投影仪到眼睛），即将光线从投影仪导入人眼的过程中传递的比例
• 环境光透射率
• 光学系统的尺寸和重量
• 越大越好的FOV

图1：AR设备中的光学系统

Source: Omdia

对于现有的AR光学系统，可以简单归类为两种主要方案。

第一类是利用一些光学元件的半透半反特性，将部分显示光反射到人眼中。同时，外部光线也可以穿过此光学装置，从而实现图像与现实世界的结合。这种类型的光学装置可进一步分为三种类型：prism、free-space和birdbath。

第二类解决方案是光波导类型。目前主要有三种技术：反射光波导、衍射光波导和全息光波导。

1、反射型

• Prism
• Free-space
• Birdbath

2、波导

• 反射光波导
• 衍射光波导
• 全息光波导

Prism型光学系统的结构最简单，但如果FOV增加，其体积将急剧增加。Free-space和birdbath光学系统的设计比较复杂。总的来说三种反射式光学系统的结构需要较大的空间来实现，这造成了重量和体积的增大，限制了其在消费电子领域的应用。最近，由于在外观上更接近于传统的玻璃，开发者和市场对波导型光学元件表现出最多的关注。

这些光学系统结构的示意图见图2。

图2：AR光学系统原理图

Source: Omdia

目前不存在完美的解决方案；必须对不同的参数进行权衡

总的来说，目前还没有完美的AR光学解决方案。不同的解决方案都是在牺牲特定特性的情况下对其他方案的优化。

Prism是谷歌眼镜选择的光学解决方案。然而，这种方案无法解决狭窄的FOV和大体积的光学元件之间的矛盾，所以消费类电子产品逐渐放弃了它。然而，由于其较高的光学效率，它仍然被用于工业和军事应用。

Free-space和birdbath的优点是对比度好，分辨率高，FOV大，但它对环境光的透射率低。因此看起来更适用于室内场景。爱普生（Epson）的BT300和Nreal的产品选择了这种解决方案。

目前，开发者最感兴趣的是光波导解决方案，它在尺寸和视角上有很大的改进，但也有不足之处。

其中反射式光波导的光学效率更高，但成本也更高。

衍射光波导是目前AR领域最有前途的光学解决方案，但其光效较低。AR制造商已经转向高亮度的硅基micro LED（LEDoS）来解决这个问题。比较而言，LEDoS的亮度可以超过100万尼特；硅基OLED（OLEDoS）只超过1万尼特。

全息光波导具有与衍射光波导相似的特性，在成本上可能具有优势，但在全色发展上还不成熟。Akonia和Digilens是这些光学系统的开发商；值得注意的是，Apple在2018年收购了Akonia。