本文只談到頭戴式設備，但是除了頭戴式設備之外還有比如手機、平板、PC、車載抬頭顯示器（Head-up Display，HUD）、AR智能互動設備等，也都能稱作AR顯示設備。

AR顯示設備有哪些分類？

1.AR眼鏡（AR Glasses）

一般來講也稱作AR頭顯（Augmented Reality Head-mounted Display，簡稱AR HMD），儘管媒體經常稱作AR眼鏡，但是實際是他們搭載了十分複雜的機載硬體，所以一部分公司便主要稱作AR頭顯。

代表產品：Microsoft HoloLens與Magic Leap One，這裡需要注意的是微軟也將HoloLens稱作混合現實設備（Mixed Reality Device）

2.智能眼鏡（Smart Glasses）

一般來講也定義為可穿戴設備這一範疇，並且AR眼鏡也可以被算作智能眼鏡中的一種。

代表產品：Google Glass

為什麼有時候也將Google Glass稱作AR眼鏡，是因為從廣義的角度來講，Google Glass將虛擬數字信息通過眼鏡顯示出來，也能算作是對現實世界的增強。

為此，微軟便定義了混合現實（Mixed Reality，MR）這一概念，用於區別增強現實的物理世界與數字世界的疊加，它著重體現物理世界與數字世界的混合。

而為瞭解決混合這一特性，就需要SLAM、環境理解、6DoF跟蹤等諸多技術特性。

What is mixed reality? - Mixed Reality?

docs.microsoft.com圖標

AR顯示設備的核心部件

1. 光學與顯示系統（Optics/Display）

1.1 核心名詞

1.1.1 近眼顯示（Near-Eye Display）：顧名思義，在距離眼睛近處顯示，是AR眼鏡與AR頭顯設備的顯示方式。

1.1.2 微顯示器（Microdisplay）：不同於普通的PC、手機、電視等體積較大的顯示器件，它是指代微型顯示器件，Syndiant公司的4K微顯示器僅僅只有0.55英寸。

在介紹下面名詞之前，來進行AR顯示設備的整體概述。

Lumus

AR顯示設備的光學與顯示系統可以分為圖像源器件與顯示光學器件，圖像源器件產生圖像並將圖像投射到顯示光學器件中，顯示光學器件將圖像反射到眼睛中。

另外，針對AR顯示設備的圖像源器件一般指微顯示器，也可以稱微顯示面板（Microdisplay Plane），而上圖中Lumus公司將自己的顯示光學器件（也可以稱為光學引擎，Optical Engine）單獨細化命名為光導光學器件（LOE，Lightguide Optical Element）。

接下來，繼續名詞介紹。

1.1.3 圖像源器件：

  • LCoS：Liquid crystal on silicon，硅基液晶，是從LCD基礎上發展而來；
  • OLEDoS：硅基OLED，是從是從OLED基礎上發展而來，現在OLED最熱門方向是AMOLED柔性屏；
  • DLP：基於TI（美國德州儀器）公司開發的數字微鏡元件DMD（Digital Micromirror Device）來完成可視數字信息顯示的技術；
  • microLED：比OLED更好的新一代顯示技術，針對近眼顯示來說，就會延伸LEDoS（LED on Silicon），名詞也不確定，畢竟叫microLEDoS也很奇怪。

1.1.4 顯示光學器件：AR光學技術

  • 稜鏡方案：Google Glass
  • 曲面反射鏡（蟲眼）方案：Meta2
  • Birdbath方案：聯想Mirage AR頭顯、ODG R9
  • 光波導（Optical Waveguide）方案：HoloLens 1、Magic Leap One、Lumus、Vuzix、Waveoptics、Digilens

這裡多說下光波導

光波導的類型：

  • 全息波導（Hololens使用，從光學層面來講也可以稱為衍射波導）
  • 陣列波導（Lumus使用，從光學層面來講也可以稱為反射波導）

1.1.5 與傳統顯示設備相比需要強烈關注的顯示參數（這裡僅關注影響顯示的質量高低的參數）：

  • FoV：視場，如果說與人眼完全搭配，則需要：水平方向150°至170°，垂直方向135°至150°
  • See-through：透視，指光學顯示性質
  • Resolution：解析度，如果按照人眼的極限視場來算，每隻眼睛需要解析度9000×8100
  • Contrast Ratio：對比度
  • Luminance：亮度，車載抬頭顯示器需要的亮度為15000nit，當前的顯示設備都還遠遠不足。
  • Response time：響應時間
  • Reflectivity：反射率
  • Transparency ：透明度，這是極其重要的指標，目前HoloLens1透明度約為40%，Magic Leap One透明度約為15%，導致這樣的原因是圖像源器件亮度太低，在加上顯示光學器件的光線損失，最終呈現出來的圖像亮度太低，不得不降低透明度，以保證圖像清晰的顯示。但是低於50%透明度的AR顯示設備，反而給人一種增強虛擬的感覺。

1.1.6 近眼顯示中的前沿技術：

多焦面顯示（Multi-focal ）：以 Magic Leap One 為代表，根據虛擬物體在虛擬空間中的遠近位置，將其對應投影至兩個及以上焦平面。由於該技術存在無法實現連續焦距變化，實現所需光學系統複雜，光學系統複雜程度且製造成本隨焦面數量增加而成指數級增加等諸多不足，相比起其他可連續變焦或光場顯示技術，具備一定過渡性質。

可變焦顯示器技術（Varifocal ）：一般來講，僅適用於VR設備，以 Oculus Half Dome 原型機為代表，採用機械裝置前後移動屏幕的位置來實現圖像的焦距變化，配合眼動追蹤、注視點渲染等多種軟硬體技術，模擬出人眼在觀察遠近不同物體時發生的屈光調節和雙目輻輳調節過程。可變焦顯示器大量採用已成熟的技術作為實現基礎，兼顧技術實現性和量產可行性，將成為下一代高端VR終端標配近眼顯示技術。

焦面顯示器技術（Focal Surface）：使用光相位調製器 SLM 把圖像深度信息添加到普通 2D 屏幕畫面中，讓其在觀察方向上模擬出圖像的遠近深度信息，可作為近似的光場顯示技術，目前 Oculus 將其定義為下二代 VR 顯示的重要發展方向，目前該技術存在結構複雜，所需 SLM 價格昂貴，圖像解析度、顯示視場偏小等技術瓶頸有待攻克。

光場顯示(Light Field) ：當前多種光場顯示技術方案停留在實驗室階段，其技術路徑和配套設備存在大量研發瓶頸，中近期均無法量產普及。由於光場顯示技術可以完全契合自然情況下人眼觀察外界的原理，成為近眼顯示領域追求的終極顯示技術 。

1.2 主要的AR顯示設備

1.2.1 稜鏡

  • Google：Google Glass
  • Epson：BT-300、BT-350、BT-35E

1.2.2 曲面反射鏡

  • Meta：Meta 2，公司已破產
  • Realmax：Realmax 乾
  • DreamWorld：DREAMGLASS

1.2.3 Birdbath

  • 聯想：Mirage AR頭顯
  • ODG：R9
  • Nreal：nreal light，Magic Leap的員工創立

1.2.4 光波導

  • Microsoft：HoloLens 1
  • Magic Leap：Magic Leap One
  • Lumus：DK-Vision、DK-52、DK-51
  • Vuzix：blade smart glasses
  • Darqri：DAQRI SMART GLASSES
  • Atheer
  • Rokid：Project Aurora，國內AI音箱廠商

1.2.5 LBS

  • Microsoft：HoloLens 2
  • North：Focals

1.3 光學與顯示系統產業鏈

1.3.1圖像源器件廠商

LCoS：

  • Syndiant：3840x2160（4K UHD）
  • RAONTECH：2560x1440（WQHD ）
  • Kopin：2048x1536（QXGA）
  • Sony：1920x1080（Full HD）
  • OmniVision：1920x1080（Full HD）
  • Himax：1366×768（WXGA）

OLEDoS：

  • Emagin：2048x2048
  • Sony：1600x1200（UXGA）

DLP：

  • Texas Instruments：3840x2160（4K UHD）

LEDoS：

  • Lumens：1280x720（HD）
  • Plessey：有未公開的內部原型，他們開創使用了GaN-on-Silicon的技術，進一步發展microLED

1.3.2顯示光學器件廠商

這裡就不列舉較為簡單的稜鏡、曲面反射鏡、Birdbath等光學方案的廠商了，僅列舉光波導的廠商。

衍射波導（全息波導）：

  • Microsoft HoloLens 1
  • Magic Leap One
  • Waveoptics
  • Digilens
  • Vuzix
  • Akonia Holographics：已經在2018年被Apple收購
  • TruLifeOptics

其實上面的波導技術最開始都來源於諾基亞的表面浮雕波導（Surface relief waveguides），其中HoloLens、Magic Leap One、Waveoptics、Vuzix都是採用表面浮雕光柵（SRG）從波導設備中提取圖像；而Digilens採用了比SRG更具技術優勢的、可切換的布拉格光柵（SBG），並且創新了主動型全息波導（Active Holographic Waveguides），在光波導技術上具有領先地位。

反射波導：

  • Lumus：也稱作陣列波導

1.3.3 一些創新光學技術的廠商

  • Magic Leap One：雙層波導，實現光場路上的折中方案的初步方案；
  • LetinAR：Pin Mirror，一種能夠較大的增大FoV的光學方案；
  • CREAL3D：擁有光場近眼顯示器原型；
  • HoloLens2、Microvision、Creative MicroSystems、全普：激光束掃描顯示技術（Laser Beam Scanning）；
  • DeepOptics：可變焦顯示原型

2.感測系統（Sensors）

未完待續...

3.顯示計算（Display Compute）

未完待續...

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