AR光学系统视觉相关重要参数

AR技术引言

AR(增强现实)技术是下一代前沿视觉显示技术。完美的AR显示需要光、机、电、声的无缝配合以呈现一场科技盛宴。光学无疑是显示技术中的核心，本文将从光学角度切入探索AR世界。

人类消费数字内容的方式正在发生历史性的变化。固定的独立显示设备，例如电视和计算机显示器，将很快加入收音机和报纸，成为过时的媒体传递设备。同样，我们低头看手机的日子也可能不再持续。新一代的显示设备即将出现，将提供前所未有的视觉刺激。增强现实（AR）正处于数字显示革命的前沿。本篇文章旨在讨论实现这一革命所需的光学显示技术，因为没有成功的硬件实现，这只是一个梦想而非现实。

在增强现实光学显示中，用户既可以看见保留的现实世界的内容又可以获得扩展的数字显示内容。图1中展示了一些增强现实体验的示例。由于AR保留了现实世界的视图，它对我们的生活产生了更大的影响。

AR光学技术历史与起源

自1960年以来，光学透视增强现实（AR）显示一直在不断发展。Ivan Sutherland的第一个计算机图形驱动显示器被戏称为“达摩克利斯之剑”。 它是第一个头戴式显示器，尽管其体积庞大且需要悬挂使用。这一设备标志着计算机图形学与人机交互领域的重要进步，并为后续AR技术的发展奠定了基础。随着个人电脑的普及，AR技术在1980年代开始进入消费者市场。基于头盔的显示器提供了40°×30°的视场，集成了头部跟踪功能，为用户带来了沉浸式的体验。这些早期的AR头盔虽然在技术上有所限制，但它们为今天的AR眼镜和应用提供了宝贵的设计参考。早期的AR项目使工程师们意识到，除了在硬件方面进行创新外，还需要深入了解增强视觉对人类感知的影响，以减轻长时间使用可能导致的不良副作用，例如恶心、头晕、疲劳或头痛 。

AR光学与人眼视觉系统

为了更加深入了解AR显示的光学技术，首先需要了解外部世界与人类视觉的交流枢纽—人眼视觉系统。

AR显示系统是专门针对人类视觉所设计的一套光学系统。为了获得一个拥有优异光学性能的AR显示系统，不可避免地需要了解人眼。虽然人眼是一个复杂的结构，但使用简单的人眼光学模型（如图3）足以满足对AR光学系统的了解。角膜是眼睛的主要聚焦元件，提供大部分聚焦能力。晶状体通过肌肉调节，实现动态聚焦。虹膜作为光阑，控制进光量和成像质量。视网膜前的玻璃体不参与聚焦。眼睛旋转中心位于角膜后约11毫米处。

视网膜可视为与眼球曲率相匹配的非平面探测器。它由两种像素组成：数量较多的杆状体负责周边视觉，而密集的锥状体则集中在黄斑区，提供高分辨率的中心视觉。眼睛通过快速扫描黄斑区的高分辨率区域来感知清晰图像。根据奈奎斯特采样理论，眼睛的最大理论分辨率为每毫米200个周期，实际可达每毫米110个周期，相当于一弧分的视角。这种高分辨率仅限于视场中心，分辨率随着视场增大迅速下降。最鲜明的图像来自于可见光谱的绿色带。

图3      图片来源：Springer Handbook oƒ AR

AR光学系统视觉相关重要参数

在了解眼睛如何作为成像系统工作后，我们接下来开始讨论用于给眼睛成像的光学系统了。许多为人类视觉系统服务的光学系统的目标是将放大的图像呈现给眼睛，包括AR显示系统。这种类型的光学系统属于目镜设计类别。目镜的一个独特特征是它们设计有外部瞳孔。为了避免在使用目镜时出现视场渐晕，光学系统的外部瞳孔必须与眼睛的入射瞳孔重合，即通过角膜的虹膜图像，位于角膜后面约3.05毫米处。如果目镜与眼睛不匹配就会发生画面裁剪或渐晕的情况。

           

图4   

眼动范围（Eye Box）的概念与瞳孔密切相关。光学系统的眼动范围被定义为用户可以放置眼睛的三维区域，其中视场的渐晕是可接受的，并且图像质量满足规格要求。眼动范围通常设计得比眼睛的瞳孔大，以便容易、灵活地使用，并适应给定头部位置的自然眼睛旋转。 

眼间距(Eye Clearance)是AR显示器的一个与眼动范围相关的参数，影响用户的舒适度（如图4）。眼间距定义为眼睛入射瞳孔与AR显示器组件的任何结构特征之间的最小距离。这与更常见的视距(Eye Relief)规格相似，但除了光学组件外，还考虑了机械特征。如果眼间距太短，AR显示器的部分会与用户的脸部或鼻子发生碰撞。如果眼间距太大，AR显示器会从用户脸上难看地突出。光线传播的长度更长、传播范围更大，从而导致更大、更冗余的光学元件。因此，眼镜距离脸部约17-20毫米可参考为AR显示的最佳眼间距。

视场角

       图5   图片来源：Springer Handbook oƒ AR  

一旦眼睛位于眼动范围内，就可以看到完整的虚拟图像，而视场角决定了虚拟图像的大小。视场角是AR显示系统最关键的设计参数之一，通常会给用户留下最深刻的印象。视场越大，体验越沉浸。AR显示器所需的视场根据应用的不同而有很大差异。对于文本显示和通知，15°的小视场可能就足够了。对于沉浸式游戏，寻求90°或更大的视场(如图5)。

畸变

图6  图片来源：Springer Handbook oƒ AR

随着视场角的增加，图像畸变也会增加。在旋转对称的视觉系统中，畸变要么是纯径向的枕形形式，要么是桶形形式，如图8.10所示，当畸变百分比大于1%时，人眼可以明显感知到畸变。但AR系统往往不具有旋转对称性，因此失真很少仅仅是径向的，非对称畸变也是AR成像畸变的重要组成(如图6)。