为什么打造一款AR眼镜这么难？浅谈AR光学方案

5G时代，随着元宇宙概念的催化，AR眼镜行业迎来了高速发展期。
 

 

回顾近两年，市面上消费级AR眼镜层出不穷，在市场教育普及的后时代，消费者对AR眼镜的接受度明显有所提升，那这是否意味着AR眼镜最好的时代已经到来？

 

诚然随着摄像头等关键元器件、人机交互等技术的发展，为AR眼镜的体验带来质的飞跃。AR眼镜也趋于“更小、更轻、更薄”，但距离用户渴望的高舒适度和沉浸感的要求仍距离尚远，这其中一个核心，就是AR眼镜的光学模组。

 

光学模组是AR产品的核心

 

和手机相比，AR眼镜相当于把手机屏幕换成镜片，将原先手机上看到的画面在眼镜上呈现，这就需要通过AR光学方案实现。

 

更形象地说，AR光学就是一个画面放大器。为了提升用户体验，把显示器尽量做小，同时画面尽量大，颜色更真，亮度和对比度更高。

 

AR眼镜经历过多种光学方案，目前市面上主流的光学方案主要是四种：棱镜、自由曲面、Birdbath和光波导。

 

棱镜方案

 

棱镜方案光学显示系统主要由投影仪和棱镜组成：投影仪把图像投射出来，继而棱镜将图像直接反射到人眼视网膜中，与现实图像相叠加，形成虚实融合的视觉体验。

Google Glass AR眼镜

 

该方案最具代表的产品是Google Glass。如图所示，系统处于人眼上方，用户想要看到图像需要让眼神聚焦在右上方，视场角和体积的矛盾也随之产生。

Google Glass只有15°的视场角，但光学镜片却有10mm的厚度，加之存在着亮度不足，以及偶尔的颜色失真等现象，最终该产品也以“失败”告终。

 

自由曲面方案

 

几乎所有镜头都无法避免畸变。在传统摄影中，我们可以通过后期（如PS）进行图片调整修正畸变，这主要是镜片方案的放大率差异造成的。

 

而自由曲面则利用其不规则、自由的曲面，让不同角度光束在穿过主轴时，可以保持近似的放大率，最大程度地减少像差。凭借颜色真、亮度高、对比度高等良好表现，自由曲面方案在早期得到业界认可。

 

其中最具代表性的产品是日本爱普生AR眼镜和美国梦境视觉的AR头盔。但爱普生AR眼镜23°的视场角，却有13mm的厚度；美国梦境视觉的Meta2系列AR眼镜虽然有90°的视场角，但其厚度超过50mm，仅光机系统重量就约为420克。

 

Birdbath方案

 

Birdbath得益于设计难度与量产成本的优势，已经实现了AR终端的规模上量。

 

 

采用这种光学方案的AR设备有联想Mirage AR头显和OPPO AR Glass 2021。这种设计方案视场角通常在50°，但极易造成光损失，第一次反射就有50%的光损失，因此镜片普遍会比较黑，亮度和对比度较低，不适合室外使用。

 

我们可以发现，上面说到的这3类光学方案，都摆脱不了伴随着视场角的扩大，镜片变厚、体积增大，以及一定程度上存在亮度和色彩上的问题。

 

极致轻薄下的画面呈现，体积小、重量轻的佩戴体验，是光波导与自由曲面、棱镜、Birdbath等光学方案的本质区别。

 

光波导方案远期市场值得期待

 

光波导+microLED由于其镜片轻薄、清晰度高、可视角度大、体积小等优势，被认为是AR眼镜光学方案的黄金搭档。

光波导方案工作原理图
 

 

基于波导技术的AR眼镜，一般由显示模组、波导和耦合器三部分组成。显示模组发出的光线被入耦合器件耦入光波导中，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。由于用波导折叠了光路，一般系统体积相对较小。

 

根据技术的不同，光波导又可分为阵列光波导和衍射光波导。受限于衍射光波导的加工工艺，其视场均匀性和色彩均匀性较差，且生产成本较高；阵列光波导基于几何光学原理，具有轻薄、较大的视场角和眼动范围且色彩均匀的优势，可以给用户带来更好的视觉和使用体验。

 

 

 

2021年，亮风台发布的这款5G AR智能眼镜HiAR H100，即采用定制1.5mm阵列光波导光学镜片，在成像清晰度、亮度、色彩均匀度、功耗等方面实现AR技术的突破，用户佩戴后拥有清、薄、透的无感佩戴体验。

 

 

 

结合LCOS微型显示器，搭配1080 P分辨率的摄像头和80%以上透光率的光学镜片，画面呈现更自然的、虚实融合的显示效果。

 

当然，任何一款AR产品，最终都要服务经济，赋能于人。

 

HiAR H100则是亮风台专为工业场景打造的一款AR智能眼镜，工作人员可以通过全局语音交互的方式，在解放双手的同时，眼前叠加设备的实时数据，完成自主的设备巡点检，供应商远程评审、远程售后服务等多个场景，应用于宝武、海尔、泰康保险等几十个企业。

 

写在最后

 

看完上文，有些伙伴可能要问：
 

光波导就是最好的光学方案？

它就是AR光学的未来吗?

其实，目前市面上的光学方案还没有统一的标准，仍处于迷雾中探索的阶段。
 

 

正如微软、苹果、谷歌对AR眼镜产品和技术均有不同的见解，哪一条路才是康庄大道，还需要经过大家不断地找寻与市场的验证。