从离轴透镜到光波导

　　AR光学概述

　　（一）AR光学原理

　　1、AR光学概念

　　AR（增强现实）基于计算机实时计算、多传感器融合和光电显示等技术，将创建生成的虚拟信息与现实环境叠加融合，通过对现实环境追踪、覆盖、标注，实现虚实融合，增强人类感知和感官体验。AR具有数字世界与现实世界结合、实时交互以及虚拟对象和真实对象的准确3D标识三个特点

　　AR光学，指利用光的折射或衍射原理，在不影响环境光的前提下，改变屏幕光的传播方向，实现将虚拟信息数据（包括文字、图像、视频和3D模型等）叠加在现实环境数据上。AR光学主要解决增强现实显示交互的四个问题：近眼聚焦、视场放大、环境透视以及虚实叠加。

　　（1）近眼聚焦

　　人眼正常视力焦距为25cm左右，当一个物体距离人眼小于25cm时，晶状体的屈光不够，导致成像无法落在视网膜上，形成清晰图像。这个距离为明视距离。如图所示，距离小于明视距离的物体A，无法在人眼视网膜上聚焦成像，因此显得模糊不清。通过在人眼与物体之间插入透镜B，利用透镜折射原理，改变了光的入射角度，形成屈光度调节作用，使得物体A的成像落在了视网膜上，形成清晰的图像

　　（2）视场放大

　　视场主要指光学系统能提供的视野范围。在AR光学中，视场放大指如何在现实环境区域内看到更大的虚拟图像。通过光学透镜的折射原理，在实现近眼显示的同时，增大光线的传播角度，可实现显示屏幕的光学放大。视场放大主要以视场角的大小来衡量，视场角越大，人眼视野范围内虚拟图像显示的区域越大，则视场放大的范围越大

　　（3）环境透视

　　AR作为虚实结合设备，现实环境信息是必不可少的一环。目前在XR产业中，允许用户直接看到设备外现实环境信息的透视技术有两种路径，分别为基于光学的OST技术和基于视频的VST技术

　　光学透视，OpticalSee-Through，简称OST。其核心原理是光学系统允许现实环境光线通过，用户可直接透过光学系统观察到外界环境。在基于OST的AR光学系统中，光耦合器透射现实环境信息，反射由显示屏幕或光机生成的图像信息，在现实环境信息与虚拟信息同时传导到人眼的情况下，实现现实信息与虚拟信息的结合，达到虚拟显示增强现实环境的感官体验。

　　视频透视，VideoSee-Through，简称VST。其核心原理是利用计算机技术重建现实环境信息，以实现在不透明的设备中观察到外界环境的功能。在基于VST的MR光学系统中光耦合器主要用于透射由计算机生成的虚拟信息。其中虚拟信息由两部分组成，一是基于摄像头实时捕捉的现实环境信息，用于重建现实环境。二是由计算机生成的虚拟信息，用于叠加在重建的现实环境信息中，达到增强现实的感官体验

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深圳市维深信息技术 何万城,李浩斌