AR显示器的原理是什么？

AR是充分发挥创造力的科学技术，为人类的智能扩展提供了强有力的手段，对生产方式和社会生活产生了巨大的深远的影响。

AR（增强现实）显示器的核心原理是将计算机生成的虚拟信息（如图像、文字、3D模型）精确地叠加到用户观察到的真实世界视野中，并使其看起来与真实环境融合。以下是其实现的主要原理和技术环节：

核心目标：虚实叠加
- AR 的关键是让用户同时看到现实世界和虚拟信息。
- 这就要求显示器必须是透视型的，允许现实光线进入用户眼睛。
显示技术（生成虚拟图像）：
- 系统内部需要有一个微型显示装置来生成虚拟图像源。
- 常用技术包括：
  - 微型OLED/LCD显示屏： 小型化、高亮度的屏幕。
  - LCoS： 基于硅基液晶反射成像，色彩、对比度好。
  - 微型LED阵列： 新兴技术，亮度高、功耗低。
  - DLP： 数字光处理，使用微镜阵列反射光源。
  - 激光束扫描： 直接扫描激光束在视网膜上成像。
- 这个微显装置产生的初始图像较小且不一定在人眼能舒适观看的位置。
光学组合器（实现虚实融合）：
- 这是AR显示器最核心、最具特色的部分。它兼具透视功能（让真实世界光线通过）和显示功能（将虚拟图像引导进入人眼）。
- 主要原理是利用部分反射或折射/衍射来实现光路叠加：
  - 自由曲面棱镜/反射镜：
    - 使用特殊形状的棱镜或半透半反镜（分束器）。
    - 真实光线大部分透过（进入眼睛）。
    - 虚拟图像光源发出的光线经过透镜组后被棱镜或反射镜反射进入人眼。
    - 在用户的视野中，反射的虚拟图像就被叠加在透过的真实景象之上。
  - 光波导：
    - 这是目前主流的先进技术（如HoloLens， Magic Leap, BirdBath常用）。
    - 核心元件是一片轻薄透明的光学玻璃或塑料波导片（光导管）。
    - 原理：
      1. 光耦入： 微显示器产生的虚拟图像光线通过一个特殊光栅或棱镜结构输入到波导片中。
      2. 光传输： 光线在波导片内部依靠全反射原理进行传导（类似光纤），能高效传输较长距离而损耗极小。
      3. 光耦出： 通过另一个特殊设计的光栅结构（表面浮雕光栅、全息体光栅、衍射光波导等），将传导的光线提取出来，并引导进入用户的眼睛。
    - 优点： 轻薄（类似普通眼镜片）、透光率高、视场角（FoV）相对容易做大、外观形态好。
    - 缺点： 制造难度大、成本高。
  - 几何光波导 (BirdBath)：
    - 一种常见于消费级AR眼镜的方案。
    - 原理： 微型显示屏发出的光被小反射镜（或棱镜）反射到一个曲面半透半反镜上。用户通过看半透半反镜，既能看到反射回来的显示屏图像（虚拟信息），也能透过镜片看到后方的真实世界。类似一个光学折返系统。
    - 优点： 技术相对成熟、成本较低。
    - 缺点： 光学模组体积相对大、笨重（通常不如纯波导方案轻薄）、视场角和透光率受限。
光学引擎（形成清晰图像）：
- 微显示单元和组合器之间需要一套精密的光学系统（一系列透镜、反射镜）。
- 作用：
  - 将微显示器产生的微小图像放大到合适的尺寸。
  - 调整光线角度，使其能正确地进入组合器（波导耦入口或反射镜）。
  - 进行必要的图像矫正（如畸变矫正），确保用户看到清晰、无变形的画面。
  - 将虚像投射到人眼可舒适聚焦的虚像距离（通常几米远）。
传感器与环境感知（支撑虚实融合）：
- 为了实现虚拟物体与真实环境的无缝融合并与之互动，AR设备通常还集成了多种传感器：
  - 摄像头： 用于追踪用户的位置和头部运动（6DoF追踪），进行空间环境识别和地图构建（SLAM），识别特定标记物或手势。
  - IMU： 测量设备加速度和旋转角度（用于快速响应头部运动）。
  - 深度传感器/结构光/ToF： 获取环境的深度信息（3D结构）。
  - 眼球追踪： 优化图像显示位置（变焦显示Varifocal），实现注视点渲染节省算力。
- 这些信息被送入处理单元进行实时的环境理解（理解物体位置、表面、光照等），从而使虚拟内容能够：
  - 精准地锚定在真实空间中的某个位置（如固定在桌面上）。
  - 被真实物体自然地遮挡（虚拟物体躲到真实物体后面）。
  - 呈现接近真实环境的光影效果。