詳談AR/VR/MR數字光學元件和技術

伯納德·克雷斯（Bernard Kress）是微軟HoloLens光學架構師（Partner職級）。他在10年代的初期主要是擔任谷歌眼鏡的**光學架構師，但于2015年來到了微軟，并一直從事HoloLens混合現實智能頭顯的研發工作。

作為對EDO19 Digital Optical Technologies大會的介紹，克雷斯撰文概述了當前當前AR/VR/MR的數字光學元件和技術。

已于2019年6月24日-27日結束的EDO19 Digital OpTIcal Technologies的話題涵蓋了用于AR/VR/MR系統的新型光學元件，如自由空間光學元件，波導光學元件（波導組合器），衍射，全息和超表面光學元件，可調，可切換和可重新配置的光學元件。下一屆大會將于2021年6月21日-24日召開。

1. 介紹

國防一直是增強現實和虛擬現實的首批應用領域，這*早可以追溯至上世紀50年代。接下來，**個消費者VR/AR浪潮于90年代開始興起，但因為過于超前，尚未成熟，沉浸式領域的熱度開始淡化萎縮。然而，正是由于缺乏可用的消費者顯示技術和相關傳感器，當時誕生了一系列的新型光學顯示概念，而它們在今天依然是相當前沿的技術，如ReflecTIon Technology的“Private Eye”智能眼鏡（1989）和任天堂的Virtual Boy（1995）。兩者都是基于掃描顯示器，而非平面顯示器。盡管這種顯示技術在當時十分超前，但消費者級IMU傳感器，低功率3D渲染顯卡，以及無線數據傳輸技術的缺乏導致**起VR浪潮于90年代的消退。另一個原因是數字內容的缺乏，或者缺乏對企業和消費者VR/AR內容的清晰認識。

這與General Magic早期的iPod開發十分類似。在90年代后期，這家公司提出了所述的硬件概念，但當時缺乏無線傳輸技術和音樂庫。十年后的蘋果終于整合了這三個要素（硬件，WIFI，在線音樂庫），而這種iPod概念顛覆了一個時代。它不僅成為了一種理想的音樂播放產品，同時引起了消費市場的強烈共鳴。

類似地，無論消費者AR/VR頭顯的質量如何，如果缺乏相應的“iTune Store App”，消費者市場將不會實現騰飛。

在**波浪潮衰退之后的十年間，依然在持續拓展AR/VR技術的領域是國防工業，如飛行模擬與訓練（用于旋轉翼飛行器的頭盔式顯示器和用于固定翼飛行器的平視顯示器）。在00年代，有效的消費者努力是汽車平視顯示器和個人雙目頭顯視頻播放器領域。

今天的工程師們從小就能接觸到不斷普及的平板顯示器技術，而比起20年前不得不從零發明新穎沉浸式顯示技術的同行相比，他們已經習慣于這樣的**額。自2012年以來，我們看到了基于現成智能手機顯示面板（LTPS-LCD，IPS-LCD，AMOLED）或Pico顯示面板（HTPS-LCD，mu-OLED，DLP，LCoS），以及IMU，攝像頭，深度傳感器（結構光和飛行時間）的初始沉浸式AR/VR實現。目前，頭顯顯示架構正在緩慢發展為更具體的技術，而且與平板顯示器更適合沉浸體驗的要求。就如同在20年前興起的發明浪潮（無機mu-LED面板，一維掃描陣列，二維激光/VCSEL MEMS掃描器……），現在行業可謂是欣欣向榮。

就顯示，聯網和傳感器方面，智能手機技術生態系統塑造了**波VR/AR浪潮，而且一直是早期產品*為顯而易見的目標用例。這種傳統額度顯示技術將作為下一波的初始催化劑。

然而，AR/VR沉浸式顯示體驗是延續半個多世紀以來的傳統面板顯示體驗的范式轉變：從CRT電視到LCD電腦顯示器和筆記本電腦屏幕，再到OLED平板電腦和智能手機，LCoS，DLP和MEMS掃描儀數字投影儀，再到iLED智能手表（請參見圖1）。

圖1：沉浸式近眼顯示器：個人信息顯示器的范式轉變

當用平板顯示技術和架構（智能電話或微型顯示面板）來實現沉浸式近眼顯示設備時，光學擴展量，固定焦點和低亮度成為了嚴重的限制。為了支持近眼顯示器匹配人類視覺系統的特性，我們需要替代性的顯示技術。

虛擬現實/增強現實/智能眼鏡熱潮在本世紀10年代初的**次興起帶來了新的命名趨勢：混合現實，融合現實，擴展現實，或統稱為XR。智能眼戴設備（包括數字信息顯示器和眼鏡）趨向于替代*初的智能眼鏡命名慣例。

2. 智能眼鏡/AR/MR/VR市場

與**次的AR/VR熱潮不同，今天的投資者，市場分析師，AR/VR/MR開發商及企業用戶都期望這種獨特的技術能夠在未來5年內帶來真正的投資回報， 如2017/2018 Gartner技術成熟度曲線所示（參見圖2）。

圖2：Gartner技術成熟度曲線

2017年的Gartner圖表表明，AR和VR有望在2年到10年內達到穩定的發展，而VR要**AR數年。這是大多數AR/VR分析師所認可的概念。有趣的是，修訂后的2018年圖表不再顯示VR，而是MR。VR在2018年進入了一個更為成熟的階段，甚至成為一種商品，所以Gartner將其從新興技術類別中移除。

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