怎样实现 120 度大视角超薄 AR 光学？

导读：这几日，AR/VR 行业又在美国掀起了一波高潮。　　据悉，备受期待的苹果 XR 头显可能马上在 6 月 5 日的 WWDC 上发布，闻风而动的 Meta 赶紧在 6 月 1

　　这几日，AR/VR 行业又在美国掀起了一波高潮。

　　据悉，备受期待的苹果 XR 头显可能马上在 6 月 5 日的 WWDC 上发布，闻风而动的 Meta 赶紧在 6 月 1 日就放出了 Quest 3 的正式宣传，先声夺人加入了混战。而在这两天开幕的硅谷 AR/VR 行业盛会 AWE 上，高通、Meta、Magic Leap、XREAL、ThinkReality 等老牌 XR 厂商密集亮相。

　　据 Bloomberg 等多家外媒猜测，苹果 XR 头显可能采用 Pancake 的光学方案，在 VR 功能的基础上，采用与 Meta Quest Pro 及 Quest 3 相同的 VST 技术（摄像头拍摄视频透过）以实现兼容 AR 功能。苹果、Meta 两大家同时下注，这使得 AR、VR 双模混合成为了行业新风向，但两家都不约而同选择 VST，则隐隐点出了一个存在已久的行业痛点，即业界缺少光学透过式（OST）的大视角 AR 光学方案。此次 AWE 大会上展出了一款由 Ant Reality 带来的 120 度大视角超薄 AR 光学方案，吸引了大量业内人士排队打卡体验。

　　以下，我们通过 Ant Reality 的大会演讲的中文译文，来探析一下实现 120 度大视角超薄 AR 光学的技术路径。

　　（干货预警，共 4554 字，阅读约花费 7 分钟。）

　　大家好，我是 Ant Reality 的创始人覃政。

　　今天要介绍的是我们的 Crossfire：一款 AR/VR 两用的 120 ° 视角 AR 光学，它集成到产品中将会是这样轻薄的眼镜形态。

　　众所周知，大视角是行业所趋，然而在 AR 领域，大视角却非常罕见。

　　1。 混合波导为什么能实现大视角？与 Birdbath、自由曲面、波导方案对比

　　这是业界常见的 Birdbath 方案的光路图，由于视窗口径（View aperture）受限于体积问题不能做得更大，而视窗距（View distance）又无法进一步缩短，Birdbath 的极限是纵向视角 29 ° 对角线 60 °，也就是说，几何因素限制了 birdbath 可实现的最大视角为 60 °。

　　这是自由曲面方案的光路图，由于它是离轴的（Off-axis）方案，导致其产生扇形畸变，画面边缘清晰度低、图像扭曲，即使是软件反畸变算法也无法很好的校正。之前业界有过 90 ° 以上的自由曲面方案，但体积非常大。若做成眼镜体积，且要求画面足够清晰，则最多只能利用自由曲面视野中心 50 ° 左右的区域。

　　传统波导包括衍射波导和几何波导，这是传统波导的光路图，它的视窗口径较大、视窗距较短，因此可以获得较大的视角。然而，大视角需要光机来提供足够大角度的耦入光线。例如，若将视角做到 70 °，此时光机已经达到 3.4cc 的体积。过大的光机会在产品左右或上方形成阻挡，导致无法眼镜化，典型的就是 Magic Leap 或 Hololens 这样的头环形态。如果希望将产品外形维持在眼镜形态，那么缩小光机体积的同时，通常也会导致视角减小。况且波导方案成本也非常高，这无疑又为市场化增加了障碍。

　　下面是今天要介绍的全新的光学方案—— Mixed Waveguide 混合波导的光路图。混合波导通过介质内全反射（TIR），将光线在波导棱镜中多次折叠后最终送入人眼。整个成像系统是在轴的（On-axis），从而在实现大 FoV 的同时保证了高 MTF（图像解析度）。其特殊构型带来的更大视窗口径和超短的视窗距，使得单个混合波导系统的视角可达 90 °。此外，混合波导镜片薄且无需光机，光源端采用 micro-OLED 等薄板式光源即可，这使得整机可实现窄边框的眼镜形态。

　　这是透过混合波导 Type-A 光学模组的实拍视频，可以看到它视角非常大，图像明亮清晰锐利，且镜片轻薄呈眼镜形态。

　　混合波导系统通过特殊的偏振系统设计实现了杂光的消除，如下图所示，图示中红色的线偏振 s 光产生的多个非正常光路杂光被绿色的线偏振 p 系统消除，从而杜绝了大部分鬼影（Ghost image）；同时，紫色的圆偏振片系列除了可以防止光线外溢形成漏光（Eye-glow），还实现了反射旋光，以保证正确光路的唯一光线从 s 光变成系统允许通过的 p 光而最终进入人眼。偏振反射和偏振旋光的设计，使得整个系统拥有很高的光学效率。最终带来的优良效果是，用户获得足够明亮的显示图像，整个视野非常通透干净，且系统内向鬼影和外向漏光都得到了有效控制。

　　就这样，我们实现了超大视角的 AR。

　　2。 光学透过（OST）为什么比视频透过（VST）好？混合波导与 Pancake+VST 对比

　　但这并不是业界第一次实现超大视角的 AR 体验，历史上有过几次，通过大体积的头盔实现类似的效果，但产品形态太臃肿，市场并不接受。最近一次，相信大家还记忆犹新，是从 Meta Quest Pro 上体验到的，它是一种 VST（video see-through 视频透过）的 Pancake 方案。今早刚刚公布的 Quest 3，也是采用同样的方案。而且马上在 6 月 5 号硅谷某大厂即将发布的产品，据媒体爆料也是采用 Pancake+VST 的方案。

　　但很明显，OST（optical see-through，光学透过）的 AR 才是未来产品所必须的。

　　为什么说 OST 比 VST 好呢？

　　亮度上：VST 的亮度由屏幕亮度决定，在 100-600 尼特之间；OST 的光学透过由透过率和外界光线决定，可达到 6600 尼特甚至更高，是 VST 的十倍以上。

　　分辨率上：VST 的分辨率约 2k-4k 每眼；而 OST 由人的视网膜决定，分辨率约为 24k+ 每眼，也是将近 10 倍的差距。

　　延迟上：OST 看见真实外界环境，完全没有延迟；而 VST 总会存在延迟。这个是有无问题，非常关键。

　　焦平面上：VST 只有 1 个焦平面；而 OST 透过镜片看见的真实世界存在无数个焦平面，可以防止辐辏冲突和眩晕的产生。这个是深层原因。

　　可见，OST 在亮度、分辨率、延迟、焦场等方面上完胜 VST。VST 只是在尚未出现超大视角 AR 光学方案背景下的临时过渡方案。

　　如果我们直接将 Crossfire 与 Pancake 进行对比：

　　视角：二者都在 100 多度，均可实现超大视角。

　　厚度：Pancake 的光学厚度在 15-25mm；Crossfire 更薄，只有 10-13mm。

　　支持 AR：Pancake 只能通过 VST 的方式使用摄像头来转录重现；而 Crossfire 是天然透明的 OST。

　　鬼影：大家都知道 Pancake 的鬼影问题比较头疼，因为它是直入式圆偏振折返系统，" 圆偏振突破 " 问题始终存在，导致鬼影难以消除，目前做的最好 pancake 方案的鬼影依然有 1%，这个还是非常明显，影响画质通透度；而 Crossfire 因为本身是侧入式线偏振折返系统，因此在保证 AR 显示的同时通过线偏振隔离将鬼影控制在 0.1%，这只有 pancake 的十分之一水平，视觉感官上非常明显要通透很多。

　　成本：你一定会问，虽然 Crossfire 听起来不错，但是上下两套系统融合，成本上是不是很高？我们计算了一下，Pancake 若采用 1.4 英寸的屏幕，屏幕单价为 300 美元；而 Crossfire 采用两块 0.9 英寸的屏幕，屏幕单价为 140 美元，两块加起来也就 280 美元。而二者的镜片成本是类似的。也就是说，Crossfire 整个方案比 Pancake 的成本还要略低一些。

　　综上，Crossfire 与 Pancake 相比，都可以达到超过 100 ° 的超大视角，但 Crossfire 更薄、真实世界还原度好、鬼影问题更小、且价格更低。

　　本次 AWE，大家可以体验到我们最新发布的 Crossfire Max 3K，它是一款单目 3K 分辨率的 AR+VR 两用光学模组，视角为 120 度，厚度为 13mm。

　　通过实拍的视频可以看到，模组可以实现显示光线的遮蔽，从而实现 VR 和 AR 两用。

　　我们已经知道，自由曲面的拼接方案不好，存在无法完美融合的问题。

　　那如果将经典 Birdbath 方案和传统波导方案也进行双向拼接，又会怎样呢？

　　结论是：

　　Birdbath 若做成双向拼接，视角最大只能达到 80 °，厚度却要做到实心棱镜 25mm 以上，重量太重，惨遭淘汰。

　　波导若做成双向拼接，成本必然加倍，是消费级眼镜承受不了的。

　　而我们的混合波导 Crossfire，它的在轴显示系统可以实现画面完美融合，100 ° 以上的超大视角但厚度只有 10-13mm，非常轻薄，并且拥有更低的整体物料价格（BOM）。

　　4。 采用 Crossfire 光学的眼镜与 Hololens 2、Magic Leap 2、Meta Quest Pro 横向对比

　　本次 AWE 我们发布了 Crossfire 的整机参考设计，这是一款 AR+VR 两用的一体机，眼镜形态，厚度为 10mm，视角为 100 °。我们首次采用纯光学式的动态调光，可以实现更大范围的 0.002%-33% 的透过率，简言之，也就可以实现更黑的 VR 封闭和更亮的 AR 透过。

　　一起看一下它大视角和 VR、AR 切换的实拍视频：

　　Hololens 2 采用 OST，固定透过率 40%，视角 52 °，只能用于纯 AR。

　　Magic Leap 2 采用 OST，有 0.3-22% 范围的动态调光，暗状态不够彻底，仍然会泄露显示光线，且视角 70 ° 也不够大，因此也只能用于纯 AR。

　　Meta Quest Pro 本身是为 AR、VR 两用设计的，视角为 106 °，但他使用了不够完美的 VST 方案。

　　Crossfire 的 OST 方案专为 ARVR 混合而生，它达到了 0.002-33% 大范围的动态调光，在 VR 模式下，最暗可以黑到 0.002% 的透光率，即使对着太阳等强光源也看不到，在 AR 模式下，最亮达到 33% 的透光率，基本可以戴着这样的眼镜在阴天不开灯的房间里也不觉得暗。视角够大为 100-120 °，支持 VR 沉浸体验毫无压力。而 Crossfire 光学方案的低成本可量产性，导致终端产品售价上不需要几千美元，而是可低至 $500-800 美元，更适合消费级市场。

　　可以说，Crossfire 是一款完美的 AR/VR 双模混合方案。

　　5。 下一代 AR 光学方案，更好的混合波导

　　总结介绍下，我们的混合波导家族，Type-A 视角 85 ° 厚度 9mm 支持沉浸式娱乐，Type-B 视角 56 ° 厚度 6mm 主打轻薄观影和日常佩戴，Type-C 专注 AR+VR 两用，其中 Crossfire 视角 100 ° 厚度 10mm，Crossfire Max 视角 120 ° 厚度 13mm。

　　为什么混合波导更好？因为这六大优势：

　　它视觉口径大、视距短，带来更大的视角。

　　它不需要光机，所以可以做到无边框的眼镜外形。

　　采用全反射折叠光路，厚度有效降低至薄镜片形态。

　　消除了鬼影，且不采用衍射器件，使得透过显示效果非常清澈。

　　因为它是在轴显示原理，所以 MTF 非常高，画质清晰锐利。

　　最后也是最重要的，它拥有类似于 Birdbath 和 Pancake 的消费级价格，并且已经实现了量产。

　　这个新技术的诞生，为未来的 ARVR 产业提供了更丰富的想象空间。

　　混合波导 Type-A 和 B 可取代 Birdbath 成为下一代消费级光学方案，应用该方案的眼镜可主打类似手机与平板的轻度全天候场景。混合波导 Type-C 及 Max，可成为取代 Pancake+VST 的升级方案，支持沉浸式 ARVR 融合体验，可瞄准办公场景取代笔记本电脑，或聚焦娱乐场景取代游戏主机或 PC。

　　整个混合波导系列将会在未来元宇宙生态中作为硬件基础设施发挥其价值与作用。

　　很高兴，混合波导已经投入量产，量产的合作伙伴是全球知名的歌尔 Goertek。一些 AR、VR 终端硬件厂商已经采购了混合波导技术方案，将会用在下一代产品中。

　　在去年的 AWE，我们首次展出了 Crossfire，展出后，我们的 120 ° 模组得到了 Karl Guttag 的认可。在今年的 CES 上，混合波导受到了更多的关注，大视角以及 AR、VR 切换的功能让大家耳目一新，全球很多媒体进行了报道。

　　本届 AWE，蚁视（Ant Reality）的展位在 113 号。

　　大家可以在展位上体验到 Type-A、B、C 的模组和以及 Crossfire 的参考设计，欢迎大家前往体验。

　　谢谢！