AR眼镜---光学方案

AR眼镜---光学方案

AR眼镜的光学方案主要包括棱镜方案、birdbath/自由曲面方案、光波导方案等。
1. 棱镜方案
棱镜方案是AR眼镜中较为基础的光学方案。该方案主要由投影仪和棱镜组成，投影仪负责将图像投射出来，棱镜则负责将图像直接反射到人眼的视网膜中，与现实图像相叠加。然而，棱镜方案存在明显的局限性，如视场角较小，例如Google Glass的视场角仅为15度。此外，光学镜片的厚度较大，通常达到10mm，且亮度不足，图像存在较大的畸变。这些缺点限制了棱镜方案在AR眼镜中的广泛应用。
2. Birdbath方案
Birdbath方案结合了球面镜/组合器（半透半反）和分束器两个主要的光学组件。该方案将来自OLED的光投射到分束器中，分束器与OLED光源平面保持45度角。分束器具有反射（Br）和透射（Bt）特性，允许将光部分反射为Br的百分比，并通过凹面镜重定向到眼睛。
与棱镜方案相比，Birdbath方案的视场角有所增大，通常能达到50FOV。然而，该方案存在光损问题，透镜较暗，类似于在室内穿戴太阳眼镜。此外，图像可能存在伪影，且这种光学设计会导致眼镜整体较大。这些因素限制了Birdbath方案在某些应用场景中的适用性。



3. 自由曲面方案
自由曲面方案采用了相对简单的光学设计，搭载了低成本的LCD显示源以及带反射/透射（R/T）值的曲面反射镜。显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器，并反射回眼内。该方案利用离轴反射的原理，将显示屏的内容通过一个透明的反射镜面反射到眼睛里，而外面的景物也透过这个镜面进入眼睛，从而实现虚实景物的叠加。
自由曲面方案的视场角可以明显大于当前的波导范围（范围在50至105度）。然而，为了扩大数字图像并令其大到可以叠加在真实世界之中，LCD源与透镜的距离需要足够远，这导致眼镜的形状会比较大。此外，与棱镜方案和Birdbath方案类似，自由曲面方案也存在视场角与光学镜片厚度、体积之间的矛盾。



4. 光波导方案
光波导方案是AR眼镜中较为先进的光学方案。该方案通过光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，并让光在波导中通过来回全反射前进，最终将光传输到眼睛前方再释放出来。波导只负责传输图像，不对图像本身做任何“功”（如放大缩小等），可以理解为“平行光进，平行光出”。
光波导方案在形状尺寸上越来越接近普通的眼镜，同时在清晰度和重影方面提供了显著的优势。该方案的亮度在所有光学设计中排名第一，且没有重影现象。然而，光波导技术依旧处于开发阶段，制造成本非常高昂，存在明显的废品率。目前使用光波导头显的零售价在3000美元至5000美元之间。此外，光波导的视场角也不是太高，目前通常约为50度左右。


综上所述，AR眼镜的光学方案各有优缺点。在选择光学方案时，需要根据具体的应用场景、成本预算和技术成熟度等因素进行综合考虑。