详谈AR/VR/MR数字光学元件和技术

详谈AR/VR/MR数字光学元件和技术

伯纳德·克雷斯（Bernard Kress）是微软HoloLens光学架构师（Partner职级）。他在10年代的初期主要是担任谷歌眼镜的**光学架构师，但于2015年来到了微软，并一直从事HoloLens混合现实智能头显的研发工作。

作为对EDO19 Digital Optical Technologies大会的介绍，克雷斯撰文概述了当前当前AR/VR/MR的数字光学元件和技术。

已于2019年6月24日-27日结束的EDO19 Digital OpTIcal Technologies的话题涵盖了用于AR/VR/MR系统的新型光学元件，如自由空间光学元件，波导光学元件（波导组合器），衍射，全息和超表面光学元件，可调，可切换和可重新配置的光学元件。下一届大会将于2021年6月21日-24日召开。

1. 介绍

国防一直是增强现实和虚拟现实的首批应用领域，这*早可以追溯至上世纪50年代。接下来，**个消费者VR/AR浪潮于90年代开始兴起，但因为过于超前，尚未成熟，沉浸式领域的热度开始淡化萎缩。然而，正是由于缺乏可用的消费者显示技术和相关传感器，当时诞生了一系列的新型光学显示概念，而它们在今天依然是相当前沿的技术，如ReflecTIon Technology的“Private Eye”智能眼镜（1989）和任天堂的Virtual Boy（1995）。两者都是基于扫描显示器，而非平面显示器。尽管这种显示技术在当时十分超前，但消费者级IMU传感器，低功率3D渲染显卡，以及无线数据传输技术的缺乏导致**起VR浪潮于90年代的消退。另一个原因是数字内容的缺乏，或者缺乏对企业和消费者VR/AR内容的清晰认识。

这与General Magic早期的iPod开发十分类似。在90年代后期，这家公司提出了所述的硬件概念，但当时缺乏无线传输技术和音乐库。十年后的苹果终于整合了这三个要素（硬件，WIFI，在线音乐库），而这种iPod概念颠覆了一个时代。它不仅成为了一种理想的音乐播放产品，同时引起了消费市场的强烈共鸣。

类似地，无论消费者AR/VR头显的质量如何，如果缺乏相应的“iTune Store App”，消费者市场将不会实现腾飞。

在**波浪潮衰退之后的十年间，依然在持续拓展AR/VR技术的领域是国防工业，如飞行模拟与训练（用于旋转翼飞行器的头盔式显示器和用于固定翼飞行器的平视显示器）。在00年代，有效的消费者努力是汽车平视显示器和个人双目头显视频播放器领域。

今天的工程师们从小就能接触到不断普及的平板显示器技术，而比起20年前不得不从零发明新颖沉浸式显示技术的同行相比，他们已经习惯于这样的**额。自2012年以来，我们看到了基于现成智能手机显示面板（LTPS-LCD，IPS-LCD，AMOLED）或Pico显示面板（HTPS-LCD，mu-OLED，DLP，LCoS），以及IMU，摄像头，深度传感器（结构光和飞行时间）的初始沉浸式AR/VR实现。目前，头显显示架构正在缓慢发展为更具体的技术，而且与平板显示器更适合沉浸体验的要求。就如同在20年前兴起的发明浪潮（无机mu-LED面板，一维扫描阵列，二维激光/VCSEL MEMS扫描器……），现在行业可谓是欣欣向荣。

就显示，联网和传感器方面，智能手机技术生态系统塑造了**波VR/AR浪潮，而且一直是早期产品*为显而易见的目标用例。这种传统额度显示技术将作为下一波的初始催化剂。

然而，AR/VR沉浸式显示体验是延续半个多世纪以来的传统面板显示体验的范式转变：从CRT电视到LCD电脑显示器和笔记本电脑屏幕，再到OLED平板电脑和智能手机，LCoS，DLP和MEMS扫描仪数字投影仪，再到iLED智能手表（请参见图1）。

图1：沉浸式近眼显示器：个人信息显示器的范式转变

当用平板显示技术和架构（智能电话或微型显示面板）来实现沉浸式近眼显示设备时，光学扩展量，固定焦点和低亮度成为了严重的限制。为了支持近眼显示器匹配人类视觉系统的特性，我们需要替代性的显示技术。

虚拟现实/增强现实/智能眼镜热潮在本世纪10年代初的**次兴起带来了新的命名趋势：混合现实，融合现实，扩展现实，或统称为XR。智能眼戴设备（包括数字信息显示器和眼镜）趋向于替代*初的智能眼镜命名惯例。

2. 智能眼镜/AR/MR/VR市场

与**次的AR/VR热潮不同，今天的投资者，市场分析师，AR/VR/MR开发商及企业用户都期望这种独特的技术能够在未来5年内带来真正的投资回报， 如2017/2018 Gartner技术成熟度曲线所示（参见图2）。

图2：Gartner技术成熟度曲线

2017年的Gartner图表表明，AR和VR有望在2年到10年内达到稳定的发展，而VR要**AR数年。这是大多数AR/VR分析师所认可的概念。有趣的是，修订后的2018年图表不再显示VR，而是MR。VR在2018年进入了一个更为成熟的阶段，甚至成为一种商品，所以Gartner将其从新兴技术类别中移除。

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