发布时间：2023-02-20
自从Facebook创始人扎克伯格宣布公司改名为“Meta”(意为元宇宙的元)， “元宇宙”作为一个新兴的概念受到了社会各界的广泛关注。关于元宇宙最具代表性的定义是：“元宇宙”是一个平行于现实世界又独立于现实世界的虚拟空间，是映射现实世界的越来越真实的数字虚拟世界。作为开启元宇宙的钥匙：AR/VR 技术，已经从游戏向外延伸到商业，医疗等各个方方面面。随着基础设施渐趋完善和市场需求的快速增长， AR/VR虚拟现实技术已经处于大规模商业应用的前夜，全球性科技企业也纷纷开始布局。本文对于目前AR/VR技术原理做了初步探讨，着重于 AR眼镜的技术路线的剖析，诠释了为什么AR眼镜需要关注颜色测量的底层原理。
VR （Virtual Reality）虚拟现实技术可以让用户沉浸其中的由计算机生成的三维虚拟环境，并与现实环境相隔绝。VR设备由于与现实环境隔绝，技术难度相对容易，但是也大大限制了使用的场景。尤其是佩戴VR设备用户容易产生眩晕的不适感，被认为是VR走向主流的最大障碍。VR设备的眩晕不适感主要是由于用户通过VR设备看到的画面与大脑感知的画面不一致造成的“晕动症”，同时由于VR设备的便携性不足和交互性薄弱，短期内VR设备无法在游戏以外的场景下产生现象级应用。
AR（Augmented Reality）增强现实技术可以在真实环境中增添或者移除由计算机实时生成的可以交互的虚拟物体或信息。AR与VR技术的光学原理差异如图1所示。AR HUD （HeadUpDisplay抬头显示）技术可以让车辆驾驶员通过HUD投影在挡风玻璃面上的信息即时查看车辆的各种信息（如图2所示），使驾车指引更加直观和安全，并且还可以有一定程度上的防疲劳和感观提醒，尤其是在无人驾驶的应用上，潜力巨大。AR眼镜更适合用户的视觉距离，交互性更好，是最适合各种现象级应用场景的虚拟现实技术。但是因为成本较高，目前市场普及率还是较低，但是各大厂商已经把AR眼镜作为未来主流的虚拟现实技术来进行研究和开发。包括微软，谷歌，苹果，脸书等国际大厂均投入了大量的资源对AR眼镜进行不同技术路线的探索。
图1：VR与AR技术的光学原理差异，图片来自网络 图2： 车载 AR HUD （抬头显示）示意图，图片来自网络
AR眼镜有许多个和用户体验直接关联的技术指标，例如尺寸，FOV（视场角），重量，分辨率，亮度，色彩，外形等等，其中最重要的两个指标就是尺寸和FOV（视场角），因为普通消费者不愿意时时刻刻带着笨重的眼镜，所以AR眼镜的尺寸会直接影响用户体验。同时如果AR眼镜的视场角太小，那么视野就小，也会严重影响用户体验。目前还没有成熟的技术来获得小尺寸大视场角的AR眼镜（如图3所示，小尺寸大视场角的第一象限目前没有任何产品出现），尤其是各个技术指标之间往往是自相矛盾的，例如视场角越大，厚度必然增大，设备就会显得笨重不宜佩戴。
图3： AR眼镜的现状（尺寸和视场角的坐标象限），图片来自网络
目前主流的AR眼镜有以下几种显示方案：1）离轴光学；2） 棱镜；3）自由曲面棱镜；4）BirthBath ；5） 光波导。从下面图4的对比中，我们可以看到光波导技术是体积最小（1.7mm），FOV（可达60度）比较大的技术，最有可能实现现象级的应用。所以光波导技术也是目前主流厂商重点关注的方向。
图4： 主流AR眼镜的显示方案对比，图片来自网络
光波导技术的主要优点有：
• 增大动眼框（Eyebox）范围从而适应更多人群，改善机械容差，推动消费级产品实现 ：通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框。
• 成像系统旁置，不阻挡视线并且改善配重分布 ：波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。
• 外观形态更像传统眼镜，利于设计迭代：波导形态一般是平整轻薄的玻璃片，其轮廓可以切割。
• 提供了“真”三维图像的可能性 ：多层波导片可以堆叠在一起，每层提供一个虚像距离。
光波导技术的主要不足有：
• 光学效率相对较低：光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失，并且大的动眼框使得单点输出亮度降低。
• 几何阵列光波导: 繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。
• 衍射光波导: 衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕，非传统几何光学，设计门槛较高。
光波导技术的不足中提到的几何阵列光波导和衍射光波导，是光波导技术中的两种主要技术方向。衍射光波导又可以因为加工工艺的不同分为表面浮雕光栅光波导和体全息光波导。三者的显示效果对比如下图5，我们可以看到，在色彩偏移那项，除了几何阵列光波导有较小的色偏，表面浮雕光栅光波导和体全息光波导都有较为严重的偏色现象。
图5： 光波导技术的显示效果对比，图片来自网络
色偏是AR眼镜中一个很重要的技术参数，因为色偏会严重影响用户的体验，如图6所示，衍射波导的色偏（又称色移）会使得用户看到图像的颜色偏移，造成较差的体验。
图6： 光波导技术色偏的举例，图片来自网络
从目前的光波导技术方向上来看，我们可以从量产的可行性对比中得到如下的分析：
1） 几何阵列光波导是目前最成熟的方案，但是繁冗的制造工艺流程导致总体良率不稳定，成本较高，提升空间有限。几何阵列光波导对于光学加工的精度和一致性要求很高，任何一个精度的小缺陷会在显示效果上有明显的体现，但是要定位这些缺陷的源头非常困难。
2） 表面浮雕光栅光波导由于微软的大力推动获得了长足的进步，但是仍旧有很长的量产道路要走。
3） 体全息光波导镜片轻薄，规模化量产容易，目前还处于技术攻关阶段，但提升空间巨大。
图7： 光波导技术量产的可行性对比，图片来自网络
无论使用何种光波导技术路线，对于色偏的检测和控制是影响AR眼镜是否成功的关键技术指标。在色度量测中，CIE127（国际照明委员会）规定了有两种测试方法：一种是滤光片法，即采用光电二极管加上滤光片，把光电二极管的响应曲线修正为与人眼的三刺激值响应曲线接近，用探测器来模拟人眼。滤光片法的优点在于测试速度快，但是由于滤光片光谱透过率不可能和CIE标准曲线一致，因此一定会存在不小的误差，而且这种误差会随着待测样品和环境而变化，因此不适合AR/VR设备色偏的检测。另一种方法是分光光谱法，先通过光谱分光测试光源的绝对能量光谱分布曲线，然后用CIE127规定的人眼相应曲线函数把能量转换为色度值，这种方法计量准确，最初经常被标准计量单位采用，尤其适合类似AR/VR设备色偏检测这种对于精度要求较高的场合。滤光片法与分光光谱法的原理图如图8所示。
图8： 滤光片法和分光光谱法的原理示意图，图片来自网络
特别需要注意的是，在测量近眼显示器例如AR/VR设备的颜色时，需要使用特殊前端光学器件将 AR/VR 设备输出光耦合到光谱色度计 . 例如著名的分光光谱式色度计厂商Photo Research 开发设计了附加到其光谱辐射计的AR/VR 配件产品，使用 3-5 毫米的入口孔径来模拟人类瞳孔，并根据客户的入口孔径要求进行光学设计，以便对光谱仪狭缝进行适当的瞳孔成像。使用 Photo Research 光谱仪测量 AR/VR 设备的成像概念示意如图9所示。
图9： Photo Research 光谱仪测量 AR/VR 设备的成像概念示意图
Photo Research AR/VR 设备前端光学器件（英文名：Virtual Reality Measurement Adapter）示意图如图10所示，只有使用了上述的特殊前端光学器件，才能模拟人类瞳孔将 AR/VR 设备输出光耦合到光谱色度计（PR788/PR740）。PR788分光光谱色度计示意图如图11所示，PR788分光光谱色度计 + AR/VR前端光学器件就成为了AR/VR 设备颜色精确测量的理想搭配。
图10： AR/VR前端光学器件示意图 图11： PR788分光光谱色度计示意图
美国Photo Research 是Novanta集团中Jadak公司旗下的著名分光光谱式光度计/色度计厂商，有着悠久的历史和雄厚的技术实力。JADAK在亚太区域有当地的技术支持团队，能及时响应当地客户的需求。如果您有任何关于颜色测量的问题，欢迎随时联系我们。
欢迎光临Jadak中文官网来查询我们的最新产品和应用：
如有任何技术及销售问题，请与我们及时联系。
亚太区总部 (APAC)：
中国江苏苏州工业园区港田路港田工业坊8 号楼，邮编 215024
固定电话： +86 512-6283-7080 转 191
亚太区北京办事处：
北京市朝阳区光华路4号东方梅地亚C座2302室
亚太区深圳办事处：
深圳市宝安区留芳路6号庭威产业园庭威大厦3座5楼C单元
亚太区印度海得拉巴办事处
亚太区日本东京办事处
Sales Contact / 销售电话
电话： +86 186-6621-9571
Johnny.deng@novanta.com
Customer Service / 客服电话
电话： +86 186-6257-4996
Fiona.xiao@novanta.com
