為什么打造一款AR眼鏡這么難？淺談AR光學方案

5G時代，隨著元宇宙概念的催化，AR眼鏡行業迎來了高速發展期。

回顧近兩年，市面上消費級AR眼鏡層出不窮，在市場教育普及的后時代，消費者對AR眼鏡的接受度明顯有所提升，那這是否意味著AR眼鏡最好的時代已經到來？

誠然隨著攝像頭等關鍵元器件、人機交互等技術的發展，為AR眼鏡的體驗帶來質的飛躍。AR眼鏡也趨于“更小、更輕、更薄”，但距離用戶渴望的高舒適度和沉浸感的要求仍距離尚遠，這其中一個核心，就是AR眼鏡的光學模組。

光學模組是AR產品的核心

和手機相比，AR眼鏡相當于把手機屏幕換成鏡片，將原先手機上看到的畫面在眼鏡上呈現，這就需要通過AR光學方案實現。

更形象地說，AR光學就是一個畫面放大器。為了提升用戶體驗，把顯示器盡量做小，同時畫面盡量大，顏色更真，亮度和對比度更高。

AR眼鏡經歷過多種光學方案，目前市面上主流的光學方案主要是四種：棱鏡、自由曲面、Birdbath和光波導。

棱鏡方案

棱鏡方案光學顯示系統主要由投影儀和棱鏡組成：投影儀把圖像投射出來，繼而棱鏡將圖像直接反射到人眼視網膜中，與現實圖像相疊加，形成虛實融合的視覺體驗。

Google GlassAR眼鏡

該方案最具代表的產品是Google Glass。如圖所示，系統處于人眼上方，用戶想要看到圖像需要讓眼神聚焦在右上方，視場角和體積的矛盾也隨之產生。

Google Glass只有15°的視場角，但光學鏡片卻有10mm的厚度，加之存在著亮度不足，以及偶爾的顏色失真等現象，最終該產品也以“失敗”告終。

自由曲面方案

幾乎所有鏡頭都無法避免畸變。在傳統攝影中，我們可以通過后期（如PS）進行圖片調整修正畸變，這主要是鏡片方案的放大率差異造成的。

而自由曲面則利用其不規則、自由的曲面，讓不同角度光束在穿過主軸時，可以保持近似的放大率，最大程度地減少像差。憑借顏色真、亮度高、對比度高等良好表現，自由曲面方案在早期得到業界認可。

其中最具代表性的產品是日本愛普生AR眼鏡和美國夢境視覺的AR頭盔。但愛普生AR眼鏡23°的視場角，卻有13mm的厚度；美國夢境視覺的Meta2系列AR眼鏡雖然有90°的視場角，但其厚度超過50mm，僅光機系統重量就約為420克。

Birdbath方案

Birdbath得益于設計難度與量產成本的優勢，已經實現了AR終端的規模上量。

采用這種光學方案的AR設備有聯想Mirage AR頭顯和OPPO AR Glass 2021。這種設計方案視場角通常在50°，但極易造成光損失，第一次反射就有50%的光損失，因此鏡片普遍會比較黑，亮度和對比度較低，不適合室外使用。

我們可以發現，上面說到的這3類光學方案，都擺脫不了伴隨著視場角的擴大，鏡片變厚、體積增大，以及一定程度上存在亮度和色彩上的問題。

極致輕薄下的畫面呈現，體積小、重量輕的佩戴體驗，是光波導與自由曲面、棱鏡、Birdbath等光學方案的本質區別。

光波導方案遠期市場值得期待

光波導+microLED由于其鏡片輕薄、清晰度高、可視角度大、體積小等優勢，被認為是AR眼鏡光學方案的黃金搭檔。

光波導方案工作原理圖

基于波導技術的AR眼鏡，一般由顯示模組、波導和耦合器三部分組成。顯示模組發出的光線被入耦合器件耦入光波導中，在波導內以全反射的形式向前傳播，到達出耦合器件時被耦合出光波導后進入人眼成像。由于用波導折疊了光路，一般系統體積相對較小。

根據技術的不同，光波導又可分為陣列光波導和衍射光波導。受限于衍射光波導的加工工藝，其視場均勻性和色彩均勻性較差，且生產成本較高；陣列光波導基于幾何光學原理，具有輕薄、較大的視場角和眼動范圍且色彩均勻的優勢，可以給用戶帶來更好的視覺和使用體驗。

2021年，亮風臺發布的這款5G AR智能眼鏡HiAR H100，即采用定制1.5mm陣列光波導光學鏡片，在成像清晰度、亮度、色彩均勻度、功耗等方面實現AR技術的突破，用戶佩戴后擁有清、薄、透的無感佩戴體驗。

結合LCOS微型顯示器，搭配1080 P分辨率的攝像頭和80%以上透光率的光學鏡片，畫面呈現更自然的、虛實融合的顯示效果。

當然，任何一款AR產品，最終都要服務經濟，賦能于人。

HiAR H100則是亮風臺專為工業場景打造的一款AR智能眼鏡，工作人員可以通過全局語音交互的方式，在解放雙手的同時，眼前疊加設備的實時數據，完成自主的設備巡點檢，供應商遠程評審、遠程售后服務等多個場景，應用于寶武、海爾、泰康保險等幾十個企業。

寫在最后

看完上文，有些伙伴可能要問：

光波導就是最好的光學方案？

它就是AR光學的未來嗎?

其實，目前市面上的光學方案還沒有統一的標準，仍處于迷霧中探索的階段。

正如微軟、蘋果、谷歌對AR眼鏡產品和技術均有不同的見解，哪一條路才是康莊大道，還需要經過大家不斷地找尋與市場的驗證。