AR技术前瞻性展望：基于波导的AR显示器
回顾了最近的技术进步，并对AR技术的未来提出了前瞻性的展望
（映维网Nweon 2024年05月22日）20世纪60年代出现的增强现实在今天依然是人们关注的焦点，因为它能够通过光学组合器将数字信息叠加在现实世界视场。热门的光学组合器通常称为波导，并因其紧凑的设计和宽大的视窗而备受赞誉。
尽管如此，这种组合器在满足人类视觉系统的各种其他要求方面遇到了独特的挑战。在一篇文章中，美国罗切斯特大学的詹尼克·P·罗兰（Jannick P. Rolland）和杰里米·古德塞尔 （Jeremy Goodsell）回顾了最近的技术进步，并对AR技术的未来提出了前瞻性的展望：
Augmented Reality（AR）/增强现实起源于20世纪60年代，因其能够增强我们视觉现实的能力而继续引起广泛关注。这项技术正日益成为教育、艺术、制造、医学等各个尖端领域不可或缺的工具。从1968年伊万·萨瑟兰开创性的达摩克利斯之剑AR显示器开始，头戴式AR显示器的尺寸已经大大缩小，而现在可以适配到眼镜的尺寸。光学组合器是任何视觉AR显示器的关键组件，它允许同时查看真实世界并从显示器传递数字信息。
光学组合器存在各种形状参数和架构，波导组合器因其紧凑的设计和宽大的视窗而脱颖而出，成为了最受欢迎的选择。在将光耦合到波导后，波导组合器利用全内反射TIR将光引导到波导中，如图1所示。
当光线遇到扩展区域时，每条光线分别与几何波导或衍射波导的镜面或光栅进行一系列相互作用，从而实现复制。这种复制沿着一个维度扩展视窗。复制和重定向的光然后与耦出器相互作用，进一步扩大沿着正交方向的光，并将其引导到用户的眼睛。所述机制扩大了视窗而不影响整个视场，但最终以牺牲显示亮度为代价增加了系统的光学扩展量。
光学期刊《eLight》曾通过《基于波导的增强现实显示器：前景和挑战》一文回顾了AR波导显示器，为社区提供了及时的信息。作者深入研究了AR显示器的环境对比度ACR，特别是与负责创建数字图像的光引擎类型有关。导通状态下的感知亮度与关断状态下的感知亮度之比决定ACR。这种可感知的亮度结合了显示器在眼睛的亮度和通过透明波导看到的环境亮度。
在明亮的环境条件下，高亮度光引擎和高效波导是实现高ACR的关键。为改善图像质量，包括分辨率密度和帧速率的其他指标同样必须提高。理想情况下，引擎应该紧凑，明亮，并具有高像素计数，以促进更身临其境的显示体验。然而，在小封装中实现高像素数需要缩小已经非常小的像素。
波导组合器具有固有的挑战，包括视场、视窗、视场均匀性和效率以及图像清晰度的限制。诸如波导折射率限制的最大视场和TIR的临界角等基本的限制直接影响这种架构类型的沉浸潜力，从而影响其应用空间。另外，耦合效率是系统亮度的限制因素，因为在耦合器丢失的任何光都无法恢复，从而成为整体效率的瓶颈。
波导组合器可以大致分为几何型或衍射型，这取决于它们是依靠反射和折射（几何）还是衍射（衍射）来重定向和复制光。几何波导采用嵌入式镜面或棱镜，而衍射波导采用表面浮雕、全息或超表面光栅等元件。通常情况下，波导只使用一类元件，但有人提出采用几何元件和衍射元件混合方法的系统。
图1所示的k矢量图是理解波导系统的有价值的工具。k矢量图的一个重要方面是，TIR环直观地表示可以包含在波导中的最大视场。波导内的相互作用会使视场在图中移动，但视场必须保持在环形内以保持在波导内。在环的内限位内移动表明未能满足TIR条件，导致泄漏。移到环外意味着视场已经消失，并且无法在物理上实现。
k矢量图通常用于分析衍射波导，因为在k空间中，衍射相互作用作为矢量线性相加，如图1中衍射k矢量图中的箭头所示。在每次相互作用之后，视场（用彩色点表示）由光栅矢量移动。整个视场的形状和视场中每个点的相对位置在k空间中保持不变。k向量图在设计复杂的瞳孔扩展方案中起着至关重要的作用，交叉光栅能够在单个区域内实现扩展和出耦。
《基于波导的增强现实显示器：前景和挑战》同时在几何情况下使用k向量图，以便在衍射系统和几何系统之间进行更深刻的比较。在几何情况下，kx/ky投影中的视场在耦合压缩后略微向右移动，并翻转，导致视场左侧（蓝色）部分现在出现在右侧。
相反，在衍射情况下，耦合视场向右移动而不压缩或翻转。视场的压缩证明了几何波导组合器如何支持与衍射波导相同折射率的更大视场。但由于反射翻转视场在耦合，扩展和出耦，视场反射大约y=-x条线。在k空间中分析这两种方案有助于对每个系统中的光行为进行一阶分析和理解。
随着波导显示器的研究和发展的进展，结合先进的指标对于理解新研究的影响，及促进与先前研究的比较变得至关重要。《基于波导的增强现实显示器：前景和挑战》一文提供了适用于所有AR显示器的通用指标，包括MTF、FOV、视窗、均匀性、效率、形状参数和重量和ACR。
不断发展的研究引入了新的度量标准，例如在视场呈现效率图，而不是将平均效率和均匀性作为单个值。为了充分捕获显示器的性能行为，了解视场的趋势非常重要，而这可以在效率图中可视化。类似的映射可以在视窗上绘制，以了解每个视场的效率如何随眼睛位置的变化而变化。这种映射同时可以显示其他信息，如图像质量或色散。映射性能显示哪些视窗位置性能最差，并且需要进行寻址。
为此，将波导性能总结为单值度量可以通过报告视场上的最小值而不是平均值或均匀性来有效地完成。例如，对用户来说，效率高的视窗位置会比效率低的视窗位置更亮。更有效的视窗位置可以在显示器变暗，以向用户呈现均匀的显示，但不能使最暗的场变得更亮。因此，从全视场图中得到的最小值可以表示为单个值，以总结显示能力的限制。
就像一条链条的强度取决于它最薄弱的一环一样，我们可以根据它最有限的特征来评估一个显示器。正在进行的波导元件对性能影响的研究同样揭示了波导元件如何为系统性能设定限制和权衡。波导研究和发展的未来将受益于对每个组件如何影响性能的透彻理解，以及全面直观地传达相关发现的能力。
