为什么AR显示技术不太可能在短期内实现大幅扩展

移动AR已经成为一个热点话题。当看到与微软的HoloLens，Magic Leap的Creator Edition或DAQRI的Smart Glasses相关的热门文章时，你会有一种AR似乎终于准备好走进大众市场的感觉。但是，所述设备依然存在诸多缺陷，尤为明显的一个是显示器。

近来热门的媒体出现了各种推测和“功能建议”，大家似乎普遍认为当前的AR显示器十分优秀，而尽管视场依然过小，但很快就能达到优秀的水平。诸如波导设计商DigiLens等显示器厂商同样加入了这轮视场喧嚣之中，并于最近宣称他们的AR显示器很快就能达到150度的视场。

在本文中，DAQRI首席技术官Daniel Wagner、DAQRI首席光学设计工程师Louahab Noui和DAQRI研究总监Adrian Stannard将尝试解释视场为什么不太可能在短期内实现大幅扩展。本文另一个更为重要的目标是，说明视场只是对AR显示器重要的大约24个参数中的一个。其他参数的重要性不弱于FOV，同时尚未得到解决或可以独立解决。实际上，目前大多数AR显示技术早已存在于军事或工业场景，而最近的进展更多是降低了相关的成本，全新的突破较少。具体整理如下：

1. AR显示器的种类

目前主要有两种AR显示技术：光学透视和视频透视。行业在过去已经探索过这两种选择，但由于后者的局限性十分显著，目前几乎所有商用AR设备都采用光学透视显示器。

1.1 光学透视显示器

光学透视显示器允许用户“直接”（通过一组光学元件）感知现实世界。这种AR显示器是通过为来自现实世界的光线添加额外光线来呈现虚拟内容。由于这是一种添加操作，所以不可能显示黑色或令现实世界变暗。所以，今天的无源光学系统无法显示黑色虚拟内容或绘制阴影。确实有实验设备能够以每像素级别阻止入射光，但它们远离实际应用尚有十分遥远的距离，所以本文不作考虑。

今天主要存在两种主要类型的光学透视显示器：波导和自由空间系统（组合器）。就目前而言，波导（见下图）显然在高端领域占据主导地位，而且上述提到的所述设备都是基于波导：投影仪在波导的一个位置（内耦合）插入图像。由于全内反射（Total Internal ReflecTIon；TIR），它将在波导内反弹（就如同在光纤电缆之中），然后在另一个位置（外耦合）朝向眼睛出射。波导十分受欢迎，因为它们能够实现简练的平面设计，但会带来一系列的（图像质量）问题。

左边是基于波导的光学透视显示器；右边是基于自由空间系统的光学透视显示器

当今最流行的波导替代方案是自由空间系统。由于采用自由形式元件，其设计过于复杂，但从光学角度来看比波导简单很多，所以可以产生更高的图像质量。另外，一旦完全原型化，它们的生产成本将远低于波导。对基于自由空间系统的显示器而言，一个常见的误解似乎是它们通常必须很大才能实现大视场（如Meta2）。

波导的光学效率低，所以需要强大的投影仪。目前的实现方式是将作为光源的LED和作为图像调制器的LCOS组合起来。自由空间系统通常足以应用OLED，后者具有自发光的特性，可实现更小的投影仪设计。

1.2 视频透视显示器

对于视频透视显示器，一对摄像头将记录真实世界视图，然后再通过不透明显示器进行显示，如OLED或LCD。虚拟内容是通过常见的视频混合技术进行添加，这意味着可以进行任何类型的操作，包括显示黑色虚拟内容和令现实世界变暗。

视频透视显示器的原理

可以进行适当视频混合的能力绝对是视频通过光学透视的优势。尽管如此，现在基本所有的AR设备都采用光学透视。原因十分简单：在视频透视的情况下，我们在本文中讨论的所有挑战都适用于真实视图和虚拟内容。

相比之下，光学透视仅适用于虚拟内容，而通过巧妙的UI设计我们可以更好地进行控制。动态范围是一个明显例子：尽管具有巨大动态范围的人眼可以看到一个位于阳光之下的人和一个位于阴影之中的人相邻站立，但今天的相机和显示器无法解决这个问题。要么阴影中的人过暗，要么阳光下的人太亮。

另外，大视场是必要项，这不仅是为了匹配所部署的摄像头系统，同时是为了模仿如肉眼所见的真实世界视场。另外，存在安全和人类因素等需要解决的问题。所以，本文的其余部分只探讨光学透视显示。

2. 设计参数

我们在本文假设视场只是AR显示器的众多基本设计参数之一。所述的大多数设计参数与F视场同样重要。下面我们列出了最重要的属性：

①视场

②视窗大小

③亮度，透明度和占空时间

④对比度

⑤均匀性和色彩质量

⑥分辨率

⑦现实世界畸变

⑧虚拟图像畸变

⑨人眼安全

⑩适眼距

⑪色差

⑫深度感知

⑬体积，重量和形状参数

⑭光学效率

⑮延迟

⑯杂散光

我们可以相对轻松地以其他作为代价来改进一个参数。例如，如果可以接受大体积和小视窗，增加视场将不是什么难事。但大多数用户可能不希望使用这样的设备。另一方面，在小型显示器中实现大视场和大视窗非常具有挑战性。类似地，较大的视窗需要更多的光线来实现相同的感知亮度，所以需要更强大的光源。

下面描述的大多数参数今天都未达到最理想的状态。所以，设备厂商的目标是全方位地提升它们。但正如刚才提到的一样，在不牺牲其他参数的情况下改进一个参数已经十分困难。这种权衡的主要原因是所谓的系统光学扩展量。这是一个几何不变量，如下面的公式所定义。类似于能量守恒，我们需要维持光学扩展量守恒。在最简单的形式中，光束所通过的面积和光束所占有的立体角的乘积必须是常数。

光学扩展量守恒：h2越高，Ω2则越小

在图片中，高度为h1的对象用作光源。对于所示透镜系统的几何形状，得到的图像高度h2> h1，而对象侧的立体角Ω2小于Ω1。换句话说，如果面积扩大，则立体角减小，反之亦然。更正式的光学扩展量定义为：

其中n是介质的折射率，θ是面积dA的发射（或接收）光束的角度。我们注意到光学扩展量没有的标准符号，但“G”和“dG”经常用于光学领域。类似术语出现在称为拉格朗日不变量的近轴极限中：

其中h1和h2是对象和图像高度，u1和u2分别是对象和图像射线角度。G的替代表达式有时用于包含NA（数值孔径）的显微镜物镜：

如果为获得恒定视场而尝试扩大出射光瞳，光学扩展量将影响光引擎设计的效率和投影仪尺寸。以下图的简单投影仪设计为例，焦距为f的准直透镜准直宽度为x的微型显示面板（限制在一个维度）。无论是波导还是自由空间系统，投影仪的视场都是我们希望尝试实现和通过显示器中继的目标。

基于准直微显示面板的简单头显投影仪

投影仪的高度（出射光瞳）由透镜的直径确定，而投影仪的视场θ由以下等式确定：