什么是增强现实光学？

要实现增强现实（AR），光学系统会将数字图像投射到位于用户眼前的一块透明显示屏上，从而将虚拟信息叠加到真实环境中。可以通过不同类型的显示设备实现这一效果，例如头戴式显示器（HMD）、平板电脑等手持设备，或是挡风玻璃等固定式显示屏。

增强现实头戴设备与车载显示器

典型的增强现实（AR）光学系统由三个主要部件组成：

• 光源：微型显示器（如有机发光二极管（OLED）或液晶显示器（LCD））生成增强现实图像。双目头戴式显示器（HMD）采用两个显示器，分别对应左右眼，通过立体成像技术产生3D效果。全息头戴式显示器（HMD）则利用空间光调制器（SLM）产生调制后的相干光，用于投射进阶 。
• 接收器：用户的眼睛同时接收现实世界和增强现实中的图像。
• 光学元件：透镜和组合器将微显示屏发出的光与真实环境的光融合，并将融合后的图像投射到用户的眼中。例如，在增强现实（AR）眼镜中，微显示屏的图像会先通过一系列光学元件（包括光束整形透镜、棱镜和矫正镜片），然后与真实场景融合，呈现在观察者眼前。

图1. 处方AR示意图 ：

(a) 侧视图展示了增强现实（AR）的光路。矫正镜片既用于视力矫正，也作为AR图像的波导。光束整形透镜将来自微显示器的光线折射，这些光线通过耦合棱镜进入矫正镜片，并在距镜片一定距离处形成放大的虚像。

(b) Prescription AR 系统中的几何参数。

(c) 光学元件的3D示意图。

经许可转载。© 美国光学学会。

与其他光学系统类似，光学像差也会影响增强现实头显（AR HMD）的图像质量。色差、球差、彗差、像散、场曲和畸变等像差会导致投影图像出现模糊或变形。精心设计和优化是基础 这些像差、提升视觉基础 。

设计增强现实（AR）光学系统需要结合专用软件工具以及多个工程领域的专业知识。光学工程师利用软件来创建和优化成像系统、分析杂散光，并设计衍射光学元件。机械工程师则需要借助CAD工具来布局系统，并进行热分析和结构分析。电气工程师也可能参与其中，负责实现眼动追踪功能，并管理发送至光学系统的信号。

工作流程

光学系统：

• 您可以使用CODE V 光学设计软件对光路进行光线追踪，优化光学系统以减少像差、降低畸变并提高分辨率，例如在头戴式显示器中的应用。您还可以利用 CODE V 中建模的增强现实光学技术，将其应用于汽车抬头显示器（HUD）（参见下一节）。随后将几何模型导出至 LightTools。
• LightTools 照明设计软件可对照明、杂散光和重影进行建模。您还可以使用 LightTools 来优化照明均匀度。

使用光子设计软件设计光栅：

衍射光栅将光耦合到波导板中，并将光从波导板耦合到人眼。必须正确设计光栅，才能使光学系统产生良好的图像。在光栅的设计和优化过程中，您可以根据衍射角以及各阶或多阶组合的效率等因素对光栅进行优化。

• RSoft DiffractMOD RCWA是一款非常高效的工具，可用于精确计算横向周期性器件的衍射特性。
• RSoft FullWAVE FDTD是一款功能强大的工具，可在必要时对横向周期性器件的衍射特性进行精确计算。
• RSoftCAD 环境中的MOST优化功能提供了一种便捷的方法，可用于利用 RSoft FullWAVE 或 RSoft DiffractMOD 对光栅进行优化。

构建好光栅后，您可以将双向散射分布函数（BSDF）信息和布局文件直接导出到 LightTools 中，以定义表面属性。RSoft 的 BSDF 文件中包含了所有衍射属性，其中包含有关薄膜或图案等表面如何散射光的信息。

抬头显示器（HUD）通过显示器投射的图像来增强驾驶员的视野。您需要借助软件来模拟光线穿过挡风玻璃的传播路径，并评估投影图像的质量。

CODE V在平视显示器（HUD）设计领域具备强大的应用功能，能够应对各类光机系统设计挑战。工程师可利用这款光学设计软件进行 CAD 可视化和光线追踪。CODE V 支持新型自由曲面，为紧凑型挡风玻璃组合器系统提供了更大的设计自由度。随着显示器在观察者眼前的分辨率提高（显示像素密度更高）以及外形尺寸的缩小，这些曲面有助于改善像差控制。

设计完成后，务必根据标称标准和实际竣工性能检查最终系统性能。为此，LightTools是进行观察者模拟的合理下一步。在 LightTools 中，从代表显示图像的光谱颜色对象进行逆向光线追迹，可显示观察者（在模型场景上）的投影 HUD 图像。LightTools 模拟还有助于发现系统中杂散图像或反射的意外问题。此外，工程师可以使用 LightTools 的 CAD 导入和测量工具来确定：

• 视窗到挡风玻璃的距离
• 挡风玻璃上的入射角（近似值）
• 挡风玻璃到仪表盘的距离

LightTools 对真实光学系统性能的仿真，对于是德科技设计工程类产品的用户而言，是其工作中的一大助力。

增强现实（AR）与虚拟现实（VR）光学系统的主要区别在于它们与真实环境的交互方式。VR光学系统模拟整个视觉环境，将用户沉浸于一个完全虚拟的世界中。相比之下，AR光学系统则捕捉真实环境，并在其上叠加数字信息，通过视觉显示将模拟元素与真实元素融合在一起。

在增强现实（AR）中，显示通常是透视式的，允许用户同时看到真实世界和数字增强内容。相比之下，虚拟现实（VR）显示器只呈现模拟环境，将真实世界屏蔽在外。

AR与VR光学系统的主要区别包括：

• 显示要求：增强现实（AR）需要高亮度显示屏，以确保在户外或手术室等光线明亮的环境中清晰可见。
• 光学精度：对于 透视式增强现实头戴显示器（HMD），为获得最佳清晰度，角定位误差（即真实图像与虚拟图像之间的角度差）应控制在1至3角分以内。
• 设计考量：增强现实头显（AR HMD）通常采用折叠式光学设计，以在保持紧凑外形的同时实现宽广的视场角（FOV）。这些设备必须集成光学组合器，将虚拟场景的反射光与现实世界的透射光融合在一起。设计人员通常在原型制作中使用分光器，而全息光学元件（HOE）则为特定波长提供了更薄、更扁平的解决方案。

这些例子说明了增强现实光学技术如何通过提升态势感知能力、优化决策过程以及创造更具互动性的体验，从而改变众多行业。

• 驾驶用抬头显示器（HUD）： 在挡风玻璃上显示 实时信息，以辅助驾驶员。
• 手术辅助： 在医疗手术过程中叠加显示 操作指南和实用数据。
• 作战支援： 为军事人员提供 增强的情报感知能力和目标信息。