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CREAL：为什么光场+HOE是AR眼镜未来？
Esther | 编辑
利用光场显示技术，CREAL曾展示出可自然变焦的3D显示效果。为了验证该技术在AR和VR场景的应用，该公司分别打造了两款头显原型。头显对于VR来讲比较常见，但对于AR来讲，眼镜形态才是未来的发展方向。因此，为了缩减AR硬件的体积，CREAL计划将光场方案与全息光学元件（HOE）结合，来更加轻量化的AR光学模组。此外，该公司还在最新的报告中对比各种AR光学方案，让我们更加了解光场+HOE的优势。
CREAL指出，理想的AR眼镜看起来就像是普通的眼镜，可充分透过周围的环境光，仅显示AR光束，而这种需求一定程度上违背了物理规律。目前，市面上的AR方案通常其采用光学组合器/透镜，将数字的AR内容与现实环境融合，这种组合器应该在消除彩虹色、发光等伪影的情况下，向使用者的双眼投射高质量、明亮、逼真的3D图像，此外它要能和处方镜片集成，应用在普通眼镜中，适合任何人佩戴。
CREAL产品路径
该公司的目标就是打造出既有高透光性，又支持完全反射的光学模组。目前，市面上能够做到轻薄美观、支持处方校正、技术成熟的光学组合方案只有两种：全息光学元件和衍射波导。而为了实现上述愿景，CREAL开始自研基于光场和全息原理的AR组合器，号称可用来打造时尚、舒适、低成本的处方AR眼镜。
CREAL表示：过去几十年里，行业内一直尝试在轻便的AR眼镜中实现虚实图像自然融合的效果，而实现这个目标的一大关键就在于光学显示技术。如何创建逼真的AR图像？又如何将AR与物理环境自然融合？这些都是需要解决的问题。显然前一个问题更难解决，就目前来讲AR依然受到光学效率、亮度限制，因此显示的图像看起来是半透明的，色彩不如移动端AR那么饱满。而对于后一个问题，CREAL认为可以从动态变焦来解决，即根据AR图像在物理空间的位置来渲染准确的深度或焦距，避免因为人眼焦距和AR焦距产生差异而失真或模糊。
CREAL现有技术对比未来预期
基于HOE的光学模组
本质上来讲，HOE类似于一种超薄的膜，它可以嵌入到处方镜片中，特点是可允许环境中的可见光直接通过，并仅反射投影模组发射的特定光束（仅限于HOE支持的少数色彩），从而实现AR显示。
HOE的物理原理相当简单，而且足够省电、成本足够低，集成HOE的镜片看起来与普通眼镜片差不多，就像是透明的。
早前，索尼曾展示基于全息光学元件HOE的圆柱形全息显示屏方案，色彩等效果相当优秀。CREAL指出，索尼曾开发首个用于AR眼镜的商用HOE组合器，随后Intel Vaunt、North Focals也采用了类似的技术。CREAL指出，Vaunt和Focals方案依然存在一些缺点，比如出瞳区域小，当人眼瞳孔的位置超出AR投影区域时，则看不到数字图像。此外，投影模组的光路可能会受到空气中的灰尘影响，从而产生图像缺陷（比如灰尘、睫毛的阴影），干扰AR图像的显示效果。值得注意的是，Vaunt和Focals对于机械和温度变化也非常敏感。
光场+HOE方案
从自然变焦方面来看，光场显示技术更具优势，它可以让3D图像投影具有逼真的焦深，这是传统光学组合器难以做到的。CREAL表示：我们的思路是，HOE的出瞳范围小，没有焦深，而衍射光波导只有固定的焦面，也没有焦深，光场技术可模拟焦深，但需要大范围的出瞳。因此，便在光场组合器基础上组合HOE元件，通过反射多个小出瞳来组成大的出瞳或眼动范围。
简单来讲光场HOE组合器既包含了经典HOE的所有优点，还消除了出瞳小的问题，并可以渲染自然的3D焦深，支持屈光调节。
以下是该方案的一些亮点：
兼容处方镜片； 组合器可通过光学和数字方式校正虚拟图像的伪影、扭曲，将物理环境与AR自然融合； 可使用传统工艺制造； 全息透镜可反射50%特定波长的光，眼动范围有限，而且从光源到人眼之间的光学效率约达4%，是现有光波导方案（光效仅0.02%）的100倍； 可通过眼球追踪提升光学效率（4-5倍）； FOV可扩大，没有严格限制； 低成本、可定制性高； 适眼距约为20毫米，更贴合面部； 色彩均匀度高； 几乎没有彩虹效应或漏光。
衍射光波导模组
衍射光波导组合器是当下的主流AR光学方案，Vuzix、HoloLens 1&2、Magic Leap 1&2等AR头显均采用这种设计。
衍射光波导的原理就像是潜望镜，微显示屏将光束摄入光波导一侧的输入口，然后光线会在光波导内反射和传播，光波导表面的光栅可控制光线的运动路径，形成多焦点阵列，从而扩大出瞳范围，这个过程也被称为瞳孔复制（pupil replication）。
衍射光栅光波导的优势在于出瞳范围大，但缺点是透光性弱，存在彩虹色伪影，色彩均匀性不够理想，以及外部发光等问题，此外光学模组厚度大、成本高，而且FOV有限、光学效率低（光源进入光波导后只有不到1%进入人眼）。另外一点，衍射光波导目前不支持自然变焦，像素聚焦的位置为无限远。
非瞳孔复制模组
1，半反射光学方案：CREAL指出，将物理光和数字光组合的最直接光学方案就是采用半反射镜，可投射一半环境光，并反射另一半来自显示屏的光。简单来讲，就是在玻璃上涂上反光的金属涂层，而如果将这种半反射镜做成曲面形状，便可以将显示屏光线放大，显示在与人眼一定距离的位置。Meta（Meta Vision）、Project North Star就是采用这种光学方案。
上述方案的缺点很明显，如果透光率高，反射率就低，反之亦然。
2，BirdBath：除此之外，BirdBath也是一种非瞳孔复制组合器，它的结构与曲面半反射镜类似，但额外加入了平面半反射镜，配置更加对称。相比于基础的半反射镜方案，BirdBath可以做的更小，图像失真也更少。但BirdBath依然很厚，透光率低，FOV有限。目前，采用该方案的AR眼镜包括Nreal、Avegant、ODG、Lightspace等等。
3，全反射组合器：Avegant、Lightspace曾开发基于该方案的AR眼镜，这种方案的好处是可传输具有焦深的图像。
4，Pin Mirror：LetinAR、Kura采用的“针镜”光导方案可实现时尚、轻便的AR眼镜设计，光导指的是一种玻璃材质，它可以将微显示屏的光线在其内部反射，直到进入特定的倾斜镜面。镜面将光反射到人眼，并透过物理空间的环境光。
Pin Mirror光学模组外观看起来像是带有小孔的玻璃，尽管透光率和反射率的权衡仍然存在，但整体结构可以做到很平、很薄。不过，Pin Mirror的小孔肉眼可见（理论上可以消除），显示的图像看起来部分重叠的色块，而且由于衍射极限因素，针孔反射镜的体积如果太小，会限制分辨率。
瞳孔复制模组
相比于非瞳孔复制组合器，Lumus采用了由多个倾斜的半反射镜面组成的瞳孔复制组合器方案。这些镜面可连续反射光源，将光线从表面反射到内部的半反射镜上，再进入人眼。Lumus的反射镜面有不同的角度，可将光线反射到不同的位置。
CREAL认为，Lumus显示的AR图像是市面上最好的，除此之外，一些类似的方案还包括Optinvent、Tooz（弯曲版本），但它们的图像质量和透光度不够好。
这种光学方案的缺点是，成本、复杂性、数字图像较平，而且FOV受限。其最大FOV由透镜表面之间的最大反射角决定，而且不能大于玻璃材质的全内反射角度。总之，提升FOV需要更加复杂、昂贵、笨重的材料，而且提升不大。
值得注意的是，光束重复反射会涉及光学扩展量的问题。扩展量决定了FOV和出瞳，FOV越大，出瞳越小，但我们希望这两者都足够大。于是，Lumus等公司希望通过瞳孔复制的方式来绕过扩展量的问题，并实现更大的眼动范围。
带有衍射或全息光栅的光波导
光波导可像Lumus那样实现瞳孔复制，其目的相同，但机制不同。在光波导方案中，光束不是通过倾斜的反射镜射出，而是通过衍射或全息光栅相互作用而离开光波导。衍射/全息光栅是一种非常精细的图案，其与光的相互作用类似于CD/DVD光碟表面。
传输光场或全息图像的光波导
这种光波导组合器可将加密的焦深（或者光场、全息图像）与光解耦，并保留离开光波导的光的焦深。目前，相关的技术还很少，只有VividQ等少数公司在进行投资。CREAL认为，如果这种光学方案在效率、透光率、分辨率、FOV等方面足够理想，有可能成为未来的主流AR方案。
参考：
https://creal.com/2022/10/11/insight-light-field-holographic-lens-the-holy-grail-of-ar-glasses/
（ END）
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