深度解析增强现实头戴显示器的设计与加工近年来

近年来，增强现实头戴显示器（AR-HMD）被广泛认为是“未来黑科技” 。然而，这并不是一个新概念。虽然虚拟现实(VR)和增强现实(AR)经常被同时提到，但它们是完全不同的概念。
VR-HMD技术将用户置于一个完全由计算机生成的虚拟世界，包括游戏、电影和直播。
AR-HMD技术不仅可以让用户看到眼前的真实场景，还可以帮助用户同时看到计算机生成的真实场景中不存在的虚拟信息。
AR-HMD可以通过声音、视频、图形、导航数据的实时叠加来增强现实世界，为人们的工作和生活提供信息帮助。
由于AR-HMD对用户体验进行了颠覆性的升级，可广泛应用于航天航空、智能制造、信息交互、移动办公、影音娱乐等众多领域，被认为是继PC、智能手机等智能通信和计算终端设备之后的“下一代计算平台” 。
光学透视式是目前AR-HMD的主要研究方向，它通过使用可透明的光学组合器元件和微显示器使显示屏幕与现实世界的可视窗口一致，确保真实场景和虚拟图像能够同时到达人眼，由此实现联结现实世界和虚拟世界。
AR-HMD的发展仍然面临巨大挑战。由于它是一种头戴式设备，体积大、重量大的系统不适合人们长时间佩戴，因此需要一个符合人体工程学的AR-HMD光学系统解决方案。
由于加工技术的限制，早期的光学系统需要使用大量的球面透镜来校正巨大的像差，这无疑增加了系统的重量。由于AR-HMD是一种目视光学系统，眼瞳箱的大小限制了人眼的观看位置，为了达到佩戴舒适，光学系统需要提供一个大的眼瞳箱。此外，为了能满足应用需求，迫切需要大视场(FOV)、大数值孔径、高分辨率AR-HMD 。然而，由于光学不变量的限制，同时实现大视场、大数值孔径和高分辨率是困难的。微显示器的显示光谱带宽需要与人眼的敏感光谱区域相匹配，商业应用需求一般要求AR-HMD具有全彩显示能力，这就引出了消色差或校正色差的问题。为了使外部环境与虚拟信息之间形成足够的亮度对比，微显示器需要在人眼的舒适范围内有较大的亮度调节范围，因此高光效率的硅基液晶(LCOS)、有机发光二极管(OLED)等微显示器仍然是必要的。
结合上述光学要求， AR-HMD光学系统是一种具有大视场和大数值孔径(NA)的光学成像系统。如何同时实现轻薄、大视场、高分辨率、低色差全彩色、大眼瞳箱、高光效的AR-HMD的光学方案已成为公认的科学难题。
鉴于此，北京理工大学王涌天教授、程德文教授等人以“DesignandmanufactureARhead-mounteddisplays:Areviewandoutlook”在Light:AdvancedManufacturing发表综述论文。
AR-HMD光学方案的分类
目前AR-HMD光学组合器的解决方案如图1所示，主要分为宏观光学方案、微光学方案和纳米光学方案三大类。

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图1.AR-HMD光学方案
1.宏观光学解决方案包括传统光学、自由棱镜和几何光波导解决方案，主要基于斯涅尔折反射定律
2.微光学解决方案包括SRG、VHG和PVG衍射光栅解决方案，主要基于光栅的衍射效应
3.纳米光学解决方案包括超透镜和超表面反射器解决方案，主要基于纳米微结构的相位调制
AR-HMD光学显示方案
1.1宏观光学方案
1.1.1传统光学方案
如图2所示为部分代表性传统AR-HMD光学方案。

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图2.传统AR-HMD光学方案
图2a所示为一个基于传统目镜结构的光学透射式AR-HMD ，通过平面分光耦合元件，将虚拟信息与真实环境耦合到一起，实现增强现实显示的功能，然而其视场角非常小。