這幾日，AR/VR行業(yè)又在美國掀起了一波高潮。

據(jù)悉，備受期待的蘋果XR頭顯可能馬上在6月5日的WWDC上發(fā)布，聞風(fēng)而動的Meta趕緊在6月1日就放出了Quest 3的正式宣傳，先聲奪人加入了混戰(zhàn)。而在這兩天開幕的硅谷AR/VR行業(yè)盛會AWE上，高通、Meta、Magic Leap、XREAL、ThinkReality等老牌XR廠商密集亮相。

據(jù)Bloomberg等多家外媒猜測，蘋果XR頭顯可能采用Pancake的光學(xué)方案，在VR功能的基礎(chǔ)上，采用與Meta Quest Pro及Quest 3相同的VST技術(shù)（攝像頭拍攝視頻透過）以實(shí)現(xiàn)兼容AR功能。蘋果、Meta兩大家同時(shí)下注，這使得AR、VR雙模混合成為了行業(yè)新風(fēng)向，但兩家都不約而同選擇VST，則隱隱點(diǎn)出了一個(gè)存在已久的行業(yè)痛點(diǎn)，即業(yè)界缺少光學(xué)透過式（OST）的大視角AR光學(xué)方案。此次AWE大會上展出了一款由Ant Reality帶來的120度大視角超薄AR光學(xué)方案，吸引了大量業(yè)內(nèi)人士排隊(duì)打卡體驗(yàn)。

以下，我們通過Ant Reality的大會演講的中文譯文，來探析一下實(shí)現(xiàn)120度大視角超薄AR光學(xué)的技術(shù)路徑。（干貨預(yù)警，共4554字，閱讀約花費(fèi)7分鐘。）

大家好，我是Ant Reality的創(chuàng)始人覃政。

今天要介紹的是我們的Crossfire：一款A(yù)R/VR兩用的120°視角AR光學(xué)，它集成到產(chǎn)品中將會是這樣輕薄的眼鏡形態(tài)。

眾所周知，大視角是行業(yè)所趨，然而在AR領(lǐng)域，大視角卻非常罕見。

1. 混合波導(dǎo)為什么能實(shí)現(xiàn)大視角？與Birdbath、自由曲面、波導(dǎo)方案對比

這是業(yè)界常見的Birdbath方案的光路圖，由于視窗口徑（View aperture）受限于體積問題不能做得更大，而視窗距（View distance）又無法進(jìn)一步縮短，Birdbath的極限是縱向視角29°對角線60°，也就是說，幾何因素限制了birdbath可實(shí)現(xiàn)的最大視角為60°。

這是自由曲面方案的光路圖，由于它是離軸的(Off-axis)方案，導(dǎo)致其產(chǎn)生扇形畸變，畫面邊緣清晰度低、圖像扭曲，即使是軟件反畸變算法也無法很好的校正。之前業(yè)界有過90°以上的自由曲面方案，但體積非常大。若做成眼鏡體積，且要求畫面足夠清晰，則最多只能利用自由曲面視野中心50°左右的區(qū)域。

傳統(tǒng)波導(dǎo)包括衍射波導(dǎo)和幾何波導(dǎo)，這是傳統(tǒng)波導(dǎo)的光路圖，它的視窗口徑較大、視窗距較短，因此可以獲得較大的視角。然而，大視角需要光機(jī)來提供足夠大角度的耦入光線。例如，若將視角做到70°，此時(shí)光機(jī)已經(jīng)達(dá)到3.4cc的體積。過大的光機(jī)會在產(chǎn)品左右或上方形成阻擋，導(dǎo)致無法眼鏡化，典型的就是Magic Leap或Hololens這樣的頭環(huán)形態(tài)。如果希望將產(chǎn)品外形維持在眼鏡形態(tài)，那么縮小光機(jī)體積的同時(shí)，通常也會導(dǎo)致視角減小。況且波導(dǎo)方案成本也非常高，這無疑又為市場化增加了障礙。

下面是今天要介紹的全新的光學(xué)方案——Mixed Waveguide混合波導(dǎo)的光路圖。混合波導(dǎo)通過介質(zhì)內(nèi)全反射(TIR)，將光線在波導(dǎo)棱鏡中多次折疊后最終送入人眼。整個(gè)成像系統(tǒng)是在軸的（On-axis），從而在實(shí)現(xiàn)大FoV的同時(shí)保證了高M(jìn)TF（圖像解析度）。其特殊構(gòu)型帶來的更大視窗口徑和超短的視窗距，使得單個(gè)混合波導(dǎo)系統(tǒng)的視角可達(dá)90°。此外，混合波導(dǎo)鏡片薄且無需光機(jī)，光源端采用micro-OLED等薄板式光源即可，這使得整機(jī)可實(shí)現(xiàn)窄邊框的眼鏡形態(tài)。

這是透過混合波導(dǎo)Type-A光學(xué)模組的實(shí)拍視頻，可以看到它視角非常大，圖像明亮清晰銳利，且鏡片輕薄呈眼鏡形態(tài)。

混合波導(dǎo)Type-A和Type-B均采用剛才介紹的單混合波導(dǎo)系統(tǒng)，可達(dá)最大視角為對角線90°。Type-C，也就是今天著重介紹的Crossfire雙混合波導(dǎo)系統(tǒng)，光路圖如下，通過兩套單混合波導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行雙向拼接，通過在軸圖像融合，最大可達(dá)到對角線135°的融合視野。

混合波導(dǎo)系統(tǒng)通過特殊的偏振系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雜光的消除，如下圖所示，圖示中紅色的線偏振s光產(chǎn)生的多個(gè)非正常光路雜光被綠色的線偏振p系統(tǒng)消除，從而杜絕了大部分鬼影(Ghost image)；同時(shí)，紫色的圓偏振片系列除了可以防止光線外溢形成漏光（Eye-glow），還實(shí)現(xiàn)了反射旋光，以保證正確光路的唯一光線從s光變成系統(tǒng)允許通過的p光而最終進(jìn)入人眼。偏振反射和偏振旋光的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)擁有很高的光學(xué)效率。最終帶來的優(yōu)良效果是，用戶獲得足夠明亮的顯示圖像，整個(gè)視野非常通透干凈，且系統(tǒng)內(nèi)向鬼影和外向漏光都得到了有效控制。

就這樣，我們實(shí)現(xiàn)了超大視角的AR。

2. 光學(xué)透過（OST）為什么比視頻透過（VST）好？混合波導(dǎo)與Pancake+VST對比

但這并不是業(yè)界第一次實(shí)現(xiàn)超大視角的AR體驗(yàn)，歷史上有過幾次，通過大體積的頭盔實(shí)現(xiàn)類似的效果，但產(chǎn)品形態(tài)太臃腫，市場并不接受。最近一次，相信大家還記憶猶新，是從Meta Quest Pro上體驗(yàn)到的，它是一種VST（video see-through視頻透過）的Pancake方案。今早剛剛公布的Quest 3，也是采用同樣的方案。而且馬上在6月5號硅谷某大廠即將發(fā)布的產(chǎn)品，據(jù)媒體爆料也是采用Pancake+VST的方案。

但很明顯，OST（optical see-through，光學(xué)透過）的AR才是未來產(chǎn)品所必須的。

為什么說OST比VST好呢？

亮度上：VST的亮度由屏幕亮度決定，在100-600尼特之間；OST的光學(xué)透過由透過率和外界光線決定，可達(dá)到6600尼特甚至更高，是VST的十倍以上。

分辨率上：VST的分辨率約2k-4k每眼；而OST由人的視網(wǎng)膜決定，分辨率約為24k+每眼，也是將近10倍的差距。

延遲上：OST看見真實(shí)外界環(huán)境，完全沒有延遲；而VST總會存在延遲。這個(gè)是有無問題，非常關(guān)鍵。

焦平面上：VST只有1個(gè)焦平面；而OST透過鏡片看見的真實(shí)世界存在無數(shù)個(gè)焦平面，可以防止輻輳沖突和眩暈的產(chǎn)生。這個(gè)是深層原因。

可見，OST在亮度、分辨率、延遲、焦場等方面上完勝VST。VST只是在尚未出現(xiàn)超大視角AR光學(xué)方案背景下的臨時(shí)過渡方案。

如果我們直接將Crossfire與Pancake進(jìn)行對比：

視角：二者都在100多度，均可實(shí)現(xiàn)超大視角。

厚度：Pancake的光學(xué)厚度在15-25mm；Crossfire更薄，只有10-13mm。

支持AR：Pancake只能通過VST的方式使用攝像頭來轉(zhuǎn)錄重現(xiàn)；而Crossfire是天然透明的OST。

鬼影：大家都知道Pancake的鬼影問題比較頭疼，因?yàn)樗侵比胧綀A偏振折返系統(tǒng)，“圓偏振突破“問題始終存在，導(dǎo)致鬼影難以消除，目前做的最好pancake方案的鬼影依然有1%，這個(gè)還是非常明顯，影響畫質(zhì)通透度；而Crossfire因?yàn)楸旧硎莻?cè)入式線偏振折返系統(tǒng)，因此在保證AR顯示的同時(shí)通過線偏振隔離將鬼影控制在0.1%，這只有pancake的十分之一水平，視覺感官上非常明顯要通透很多。

成本：你一定會問，雖然Crossfire聽起來不錯(cuò)，但是上下兩套系統(tǒng)融合，成本上是不是很高？我們計(jì)算了一下，Pancake若采用1.4英寸的屏幕，屏幕單價(jià)為$300美元；而Crossfire采用兩塊0.9英寸的屏幕，屏幕單價(jià)為$140美元，兩塊加起來也就$280美元。而二者的鏡片成本是類似的。也就是說，Crossfire整個(gè)方案比Pancake的成本還要略低一些。

綜上，Crossfire與Pancake相比，都可以達(dá)到超過100°的超大視角，但Crossfire更薄、真實(shí)世界還原度好、鬼影問題更小、且價(jià)格更低。

本次AWE，大家可以體驗(yàn)到我們最新發(fā)布的Crossfire Max 3K，它是一款單目3K分辨率的AR+VR兩用光學(xué)模組，視角為120度，厚度為13mm。

通過實(shí)拍的視頻可以看到，模組可以實(shí)現(xiàn)顯示光線的遮蔽，從而實(shí)現(xiàn)VR和AR兩用。

視頻中我們可以看到，3K超高分辨率的清晰圖像之下，背景的現(xiàn)實(shí)世界在切換明暗，實(shí)現(xiàn)AR透過，或者VR封閉。這是我們基于液晶光閥的電致調(diào)光方案的神奇效果。

有了Crossfire技術(shù)，我們很自豪的宣布：超大視角的光學(xué)透過式AR，我們終于攻克了這個(gè)難題！

3. 靈魂追問：如果其他光學(xué)方案也采用Crossfire雙向拼接的概念，是否也能實(shí)現(xiàn)同樣提升呢？

那么，有人會說，你的雙向拼接的方法很聰明，但是其他光學(xué)方案也可以這樣來做吧？

比如經(jīng)典的自由曲面方案，如果把他做成雙向拼接，就會存在比較嚴(yán)重的眼動畫面融合問題。

通過這個(gè)動畫的分析對比可以看出，如果自由曲面采用拼接方案，將會是類似左邊這樣。由于他是雙離軸的系統(tǒng)，所以產(chǎn)生了上下兩個(gè)相反的扇形畫面，這兩個(gè)畫面是銜接不上的。

那么假設(shè)通過軟件分別對上下畫面進(jìn)行反畸變處理，這時(shí)候上下畫面是可以銜接上了。但是，人眼并不是靜止不動的，當(dāng)眼球移動起來（Eye-shifting），我們看到，剛才還能銜接上的畫面就又開始持續(xù)錯(cuò)位了。

假設(shè)再土豪一點(diǎn)，加上眼球追蹤來實(shí)時(shí)根據(jù)人眼位置進(jìn)行圖像校正處理，是否就可以解決問題了呢？不，即使加上眼球追蹤，只能解決X和Y方向的像素錯(cuò)位問題，而因?yàn)樽杂汕娌粚ΨQ性導(dǎo)致的上下畫面的焦面也錯(cuò)位了，這是Z方向的錯(cuò)位，是光學(xué)問題，算法解決不了。

而右邊Crossfire的情況就好了很多，因?yàn)槭窃谳S系統(tǒng)，無論人眼移動到什么位置，上下拼接的畫面始終是自然地融合在一起，幾乎可以達(dá)到完美的拼接顯示效果，做到無接縫，無重影。

我們已經(jīng)知道，自由曲面的拼接方案不好，存在無法完美融合的問題。

那如果將經(jīng)典Birdbath方案和傳統(tǒng)波導(dǎo)方案也進(jìn)行雙向拼接，又會怎樣呢？

結(jié)論是：Birdbath若做成雙向拼接，視角最大只能達(dá)到80°，厚度卻要做到實(shí)心棱鏡25mm以上，重量太重，慘遭淘汰。

波導(dǎo)若做成雙向拼接，成本必然加倍，是消費(fèi)級眼鏡承受不了的。

而我們的混合波導(dǎo)Crossfire，它的在軸顯示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)畫面完美融合，100°以上的超大視角但厚度只有10-13mm，非常輕薄，并且擁有更低的整體物料價(jià)格（BOM）。

4. 采用Crossfire光學(xué)的眼鏡與Hololens 2、Magic Leap 2、Meta Quest Pro橫向?qū)Ρ?/strong>

 

本次AWE我們發(fā)布了Crossfire的整機(jī)參考設(shè)計(jì)，這是一款A(yù)R+VR兩用的一體機(jī)，眼鏡形態(tài)，厚度為10mm，視角為100°。我們首次采用純光學(xué)式的動態(tài)調(diào)光，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的0.002%-33%的透過率，簡言之，也就可以實(shí)現(xiàn)更黑的VR封閉和更亮的AR透過。

 

 

一起看一下它大視角和VR、AR切換的實(shí)拍視頻：

 

 

所以，如果Crossfire參考設(shè)計(jì)變成實(shí)際產(chǎn)品，它與市面上幾款主流的AR設(shè)備進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?/p>

 

 

Hololens 2采用OST，固定透過率40%，視角52°，只能用于純AR。

 

Magic Leap 2采用OST，有0.3-22%范圍的動態(tài)調(diào)光，暗狀態(tài)不夠徹底，仍然會泄露顯示光線，且視角70°也不夠大，因此也只能用于純AR。

 

Meta Quest Pro本身是為AR、VR兩用設(shè)計(jì)的，視角為106°，但他使用了不夠完美的VST方案。

 

Crossfire的OST方案專為AR\VR混合而生，它達(dá)到了0.002-33%大范圍的動態(tài)調(diào)光，在VR模式下，最暗可以黑到0.002%的透光率，即使對著太陽等強(qiáng)光源也看不到，在AR模式下，最亮達(dá)到33%的透光率，基本可以戴著這樣的眼鏡在陰天不開燈的房間里也不覺得暗。視角夠大為100-120°，支持VR沉浸體驗(yàn)毫無壓力。而Crossfire光學(xué)方案的低成本可量產(chǎn)性，導(dǎo)致終端產(chǎn)品售價(jià)上不需要幾千美元，而是可低至$500-800美元，更適合消費(fèi)級市場。

 

可以說，Crossfire是一款完美的AR/VR雙?；旌戏桨?。

 

5. 下一代AR光學(xué)方案，更好的混合波導(dǎo)

 

 

總結(jié)介紹下，我們的混合波導(dǎo)家族，Type-A視角85°厚度9mm支持沉浸式娛樂，Type-B視角56°厚度6mm主打輕薄觀影和日常佩戴，Type-C專注AR+VR兩用，其中Crossfire視角100°厚度10mm，Crossfire Max視角120°厚度13mm。

 

為什么混合波導(dǎo)更好？因?yàn)檫@六大優(yōu)勢：

 

1. 它視覺口徑大、視距短，帶來更大的視角。
2. 它不需要光機(jī)，所以可以做到無邊框的眼鏡外形。
3. 采用全反射折疊光路，厚度有效降低至薄鏡片形態(tài)。
4. 消除了鬼影，且不采用衍射器件，使得透過顯示效果非常清澈。
5. 因?yàn)樗窃谳S顯示原理，所以MTF非常高，畫質(zhì)清晰銳利。
6. 最后也是最重要的，它擁有類似于Birdbath和Pancake的消費(fèi)級價(jià)格，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。

 

這個(gè)新技術(shù)的誕生，為未來的ARVR產(chǎn)業(yè)提供了更豐富的想象空間。

 

混合波導(dǎo)Type-A和B可取代Birdbath成為下一代消費(fèi)級光學(xué)方案，應(yīng)用該方案的眼鏡可主打類似手機(jī)與平板的輕度全天候場景?；旌喜▽?dǎo)Type-C及Max，可成為取代Pancake+VST的升級方案，支持沉浸式ARVR融合體驗(yàn)，可瞄準(zhǔn)辦公場景取代筆記本電腦，或聚焦娛樂場景取代游戲主機(jī)或PC。

 

整個(gè)混合波導(dǎo)系列將會在未來元宇宙生態(tài)中作為硬件基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮其價(jià)值與作用。

 

 

很高興，混合波導(dǎo)已經(jīng)投入量產(chǎn)，量產(chǎn)的合作伙伴是全球知名的歌爾Goertek。一些AR、VR終端硬件廠商已經(jīng)采購了混合波導(dǎo)技術(shù)方案，將會用在下一代產(chǎn)品中。

 

在去年的AWE，我們首次展出了Crossfire，展出后，我們的120°模組得到了Karl Guttag的認(rèn)可。在今年的CES上，混合波導(dǎo)受到了更多的關(guān)注，大視角以及AR、VR切換的功能讓大家耳目一新，全球很多媒體進(jìn)行了報(bào)道。

 

本屆AWE，蟻視（Ant Reality）的展位在113號。

 

 

大家可以在展位上體驗(yàn)到Type-A、B、C的模組和以及Crossfire的參考設(shè)計(jì)，歡迎大家前往體驗(yàn)。

 

謝謝！

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