什麼是擴增實境光學？

為了實現擴增實境 (AR)，光學系統會將數位影像投射到使用者眼前的一個透明顯示器上，將虛擬資訊疊加到真實環境中。這可以透過不同類型的顯示器來實現，例如頭戴式顯示器 (HMD)、平板電腦等手持裝置，或擋風玻璃等固定式顯示器。

AR 頭戴式裝置和固定式顯示器

典型的 AR 光學系統由三個主要元件組成：

• 光源：微型顯示器，例如有機發光二極體 (OLED) 或液晶顯示器 (LCD)，用於產生擴增影像。雙目 HMD 使用兩個顯示器，每隻眼睛一個，透過立體視覺創造 3D 效果。全像 HMD 則使用空間光調變器 (SLM) 來產生調變的同調光，以實現進階影像投射。
• 接收器：使用者的眼睛會接收到真實世界和擴增影像。
• 光學元件：透鏡和合光器將微型顯示器的光線與真實環境的光線混合，並將組合後的影像投射到使用者的眼睛。例如，在 AR 眼鏡中，微型顯示器影像會經過一系列光學元件，包括光束整形透鏡、稜鏡和處方鏡片，然後才與真實場景合併呈現給觀看者。

圖 1. 處方 AR 示意圖：

(a) 側面圖顯示 AR 光束路徑。處方鏡片用於視力矯正和 AR 影像的波導。光束整形透鏡折射來自微型顯示器的光線，這些光線透過耦合稜鏡進入處方鏡片，並在距離鏡片一定距離處產生放大的虛擬影像。

(b) 處方 AR 系統中的幾何參數。

(c) 光學元件的 3D 圖。

經許可轉載。© The Optical Society。

光學像差會影響 AR 頭戴式顯示器 (HMD) 的影像品質，與其他光學系統類似。像差，例如色差、球面像差、彗形像差、像散、場曲和畸變，會導致投影影像模糊或扭曲。精心的設計和最佳化對於最大程度地減少這些像差並提高視覺清晰度至關重要。

設計 AR 光學元件需要結合專業軟體工具和多個工程領域的專業知識。光學工程師使用軟體建立和最佳化成像系統、分析雜散光，並設計繞射光學元件。機械工程師需要 CAD 工具來佈局系統並執行熱分析和結構分析。電機工程師也可能參與實施眼球追蹤並管理傳送至光學系統的訊號。

工作流程

光學系統：

• 您可以使用 CODE V 光學設計軟體追蹤光線穿過光學系統，最佳化系統以減少像差、降低失真並提高解析度，如頭戴式顯示器所示。您也可以將擴增實境光學元件用於汽車抬頭顯示器 (HUD)，並在 CODE V 中建模（請參閱下一節）。然後將幾何圖形匯出到 LightTools。
• LightTools 照明設計軟體可以模擬照明、雜散光和鬼影。您也可以使用 LightTools 來最佳化照明均勻度。

使用 光子設計軟體設計光柵：

繞射光柵將光耦合到波導板中，並將光從板中耦合到眼睛。光柵必須設計得當，以便光學系統產生良好的影像。對於光柵的設計和最佳化，您可以根據繞射角和任何階數或階數組合的效率等因素來最佳化光柵。

• RSoft DiffractMOD RCWA 是一種非常有效的工具，可嚴格計算橫向週期性元件的繞射特性。
• RSoft FullWAVE FDTD 是另一個強大的工具，可在必要時嚴謹地計算橫向週期性元件的繞射特性。
• RSoft CAD 環境中的 RSoft MOST 最佳化提供了一種便捷的方法，可搭配 RSoft FullWAVE 或 RSoft DiffractMOD 最佳化光柵。

一旦您建立光柵，即可將雙向散射分佈函數 (BSDF) 資訊和佈局檔案直接匯出到 LightTools，以定義表面特性。所有繞射特性都包含在 RSoft BSDF 檔案中，這些檔案包含有關薄膜或圖案等表面如何散射光的資訊。

抬頭顯示器 (HUD) 可透過顯示器影像擴增駕駛員的視野。您需要軟體來模擬穿過擋風玻璃的光線，並評估投影影像的品質。

CODE V 在 HUD 設計領域具有強大的應用功能，可解決各種光機系統設計挑戰。工程師可以使用這款光學設計軟體進行 CAD 視覺化和光線追蹤。CODE V 支援新的自由曲面，為緊湊型擋風玻璃組合系統提供更大的設計自由度。隨著觀看者眼睛處的顯示器解析度提高（更高密度的顯示器像素）和外形尺寸縮小，這些表面可改善像差控制。

設計完成後，務必檢查最終系統性能是否符合標稱標準，以及實際系統的竣工性能。為此，LightTools 是進行觀看者模擬的合理下一步。LightTools 中代表顯示器影像的光譜顏色物件的反向光線追蹤會顯示觀看者的投影 HUD 影像（投射到模型場景上）。LightTools 模擬還可以協助發現系統中雜散影像或反射的意外問題。此外，工程師可以使用 LightTools CAD 匯入和測量工具來確定：

• 視窗到擋風玻璃的距離
• 擋風玻璃上的近似入射角
• 擋風玻璃到儀表板的距離

LightTools 對真實世界光學系統性能的模擬，是 Keysight 設計工程產品使用者在工作中極佳的資產。

擴增實境 (AR) 與虛擬實境 (VR) 光學元件的主要差異在於它們與真實環境的互動方式。VR 光學元件模擬整個視覺環境，讓使用者沉浸在完全虛擬的世界中。相較之下，AR 光學元件捕捉真實環境，並將數位資訊疊加其上，透過視覺顯示器融合模擬與真實元素。

在 AR 中，顯示器通常是透視的，讓使用者能夠同時查看真實世界和數位強化內容。另一方面，VR 顯示器僅呈現模擬環境，阻擋真實世界。

AR 與 VR 光學元件的主要差異包括：

• 顯示器要求： AR 需要高亮度顯示器，以確保在室外或手術室等明亮環境中的可見度。
• 光學精度： 對於透視 AR 頭戴式顯示器 (HMD)，角度配準誤差（真實影像與虛擬影像之間的角度差異）應保持在 1 到 3 弧分以下，以實現最佳清晰度。
• 設計考量： AR HMD 通常採用折疊式光學設計，以在保持精巧外形尺寸的同時實現寬廣視野 (FOV)。這些裝置必須整合一個光學組合器，將虛擬場景的反射光與真實世界的透射光合併。設計人員通常使用分光器進行原型設計，而全像光學元件 (HOE) 則為特定波長提供更薄、更平坦的解決方案。

這些範例說明了擴增實境光學元件如何透過提升情境感知、改善決策和創造更具互動性的體驗，來改變廣泛的產業。

• 用於駕駛的抬頭顯示器 (HUD)： 在擋風玻璃上提供即時資訊以協助駕駛。
• 手術輔助： 在醫療手術期間疊加程序說明和有用的資料。
• 戰鬥輔助：為軍事人員提供強化的態勢感知能力和目標資訊。