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雷鋒網注：靈犀 AR 眼鏡透鏡實拍效果
雷鋒網此前曾報道過，在百度首席科學家吳恩達看來，AR（增強現實）的核心在于人工智能，這并沒有錯，要增強現實首先要看懂現實，并根據現實提供信息，這些過程都需要人工智能技術。
但 AR 之所以為 AR，也是因為它的信息展現方式——在現實的基礎上疊加虛擬信息，而這需要一種未來式的顯示技術，類似《少數派報告》阿湯哥凌空操作的那種。雖然在手機上也可以實現 AR，但這種 2D 小屏幕顯然沒法真正說服許多用戶這就是所謂的 AR。
許多公司都曾嘗試打造這樣的顯示媒介，而迄今被嘗試最多的是名為光波導的顯示技術，可以說這是 AR 顯示領域最熱的技術之一。
但這些產品目前還沒有真正開拓出一個大市場，原因有很多，但顯示技術不夠成熟也是一方面。使用了這項技術的 HoloLens 可視角只有 40 度，但遠沒到沉浸感的水平；而且畫面的質量（亮度、顏色等）都離 IPS 或 AMOLED 還差很遠。
到底什么是波導光學？它有什么優劣？它處于怎樣的發展狀態？雷鋒網邀請了國內專業從事波導光學顯示技術研發的靈犀微光技術合伙人王耀彰來解答這些疑問。
王耀彰，北京靈犀微光技術合伙人；畢業于北京大學物理學院，曾在北京大學量子電子學研究所從事飛秒光梳光頻標的項目工作，后參與組建靈犀 AR 技術團隊，靈犀 AR 在其成立兩年多的時間里，在國內首次完成陣列波導 AR 光學模組并小批量投產，在增強現實光學技術方面處于世界先進水平。
以下內容整理自公開課。
先放上公開課完整視頻：
大家好，這里是靈犀 AR 主題課堂《AR 顯示的未來：詳解波導技術》。我是來自靈犀 AR 的王耀彰，很榮幸有機會在這里和大家分享我對當前 AR 領域技術層面的心得體會和現在炙手可熱的波導技術的理解。
接下來的內容將從增強現實總體概念切入，從技術的視角介紹視覺 AR 設備的形成和發展，最終講述波導技術當前的進展和其所面臨的機遇和挑戰。我希望能夠從科普的角度來給大家講一些平時比較容易混淆的概念和技術門檻較高的內容，有講得不對的地方還請各位同行指正!
AR 的概念現在被大眾炒得很廣泛，首先帶著大家理一下 AR 的概念和現在的技術劃分。AR 即 Augment Reality，也就是增強現實技術。所謂增強，就是在真實世界的信息上疊加虛擬的信息，然后通過人類能接受的方式傳遞給自身，包括視覺、聽覺、味覺、觸覺等感官，輔助人類的感官去接收本來無法輕易地從現實世界中獲取的信息，同時做到實時交互。通俗地講，就是通過計算機來武裝人自身，提供更多的信息和手段去處理周圍的事情，這是一個比較泛的概念。
AR 技術所強調的實時信息計算和交互的方式并不局限，但作為一項新技術的開創者和先驅，當然要從最直觀最現實的角度切入，最直觀的角度是什么呢？其實就是我們看到的東西，視覺上的增強現實。也就是當今炒得火熱的 AR 顯示設備和各種 AR 顯示軟件。
AR 顯示技術的最根本目的在于實現增強現實技術中的視覺體驗，讓我們看到一個被處理過的世界。同事的腦袋上空漂浮著心情簽名、出租車開過來的時候看到上面寫著打車人的電話尾號......如何處理這些“疊加”成為 AR 顯示技術的關鍵所在。
疊加過程在整個信息處理過程中所在的位置又把當前的 AR 顯示技術分為兩個技術領域：
視頻疊加，即在計算機的預處理過程中將信息疊加在攝像頭的實時畫面中，展現給觀察者的是處理過的視頻流。
感官疊加，即設備投影的視頻是不包含現實世界的畫面的，需要觀察者在觀察的過程中直接在視覺層面將二者融合。
視頻疊加
視頻疊加并不是新的技術，而是在原有的傳統顯示設備上做了一些 AR 應用，優化算法以逼近實時顯示，但其實攝像頭采集的畫面和眼鏡直接看到的還是有很多區別的。現實環境中的位置經過 2D 采集后會有很大的畸變，畢竟這是對信息進行了降維處理，如果可以把屏幕相同位置替換成透明玻璃，就會發現屏幕上顯示的茶杯的位置并不一定是茶杯的真實位置。這些可能會在交互方面產生影響，但卻并不影響單向的信息采集和處理，就像 Pokemon Go 和掃 AR 紅包之類的應用，在這種方式下實現得就很好。
感官疊加
視頻疊加易于實現，但說到底它并不依賴眼睛真實地去看外界的事物，因此它只是一臺有著實時外部監控畫面顯示的 VR 設備。有時候被引入新概念稱作 MR（Mixed Reality），形式大于意義罷了。
感官疊加在理想情形下可以解決視頻疊加的失真問題，這在交互方面的感覺會有很大的提升。這些優點讓感官疊加的 AR 顯示技術得以應用在頭戴式顯示設備上，真實而安全。從而這也是未來 AR 技術的最重要的走向。當然這里的技術門檻也是我們需要去面對的。
從光學上分析頭戴式 AR 顯示技術的需求：疊加的信息，也就是畫面，畫面的每一束光線需要被射入眼睛，而這些光線的反向延長線在觀察者前方匯合成為我們看到的虛像的像點，像點的集合成為我們看到的畫面。在此同時，同樣的方向上，現實世界的光線也需要同時射入觀察者的眼鏡。
反射和穿透
再從顯示設備上進行審視，我們把顯示設備罩在眼睛前面的部分稱作鏡片，在鏡片上顯示區域的每一個點，都同時有內部的疊加信息的光線和外部的現實世界的光線經過它，內部疊加的信息在這個點上是被反射進入人眼的，而外部現實世界的光線是經過折射——通俗地，可以叫穿透——進入人眼的。
選擇性過濾
有的光線需要反射回去，有的光線需要透射過去，看起來需要做一些特別的東西來應對這種需求，用技術的語言描述，就是要求我們在使用的過程中對光線有一定的選擇性過濾。恰好在光學研究中有這樣一種手段，對某些表面做一些特殊的處理，就是我們經常講的，鍍上一些特殊的膜層，然后應用光的偏振屬性來把不同的光線區分開來。這里提到的光的偏振是物理學里的老生常談，對于領域外的朋友們，我這里簡單做一下科普。
光的偏振
光可以被認為是特殊頻率段的一種電磁波，所謂波，是用來代指規律性的振動的傳遞，就像海浪一樣一上一下慢慢遠去，而一上一下的振動就表示它其實是有方向性的。振動的方向總是和波傳遞的方向垂直。形象地去想像向前傳遞的一列波，它的振動方向既可以上下，又可以左右，或者左上右下，或者右上左下，也即是說在垂直于向前的平面上，隨便什么方向都可以。
而我們常見的太陽光，是所有方向的振動分布均勻的一種光，我們把它叫做自然光。而各個方向分布不均勻的，我們把它叫做偏振光。偏振的屬性雖然看不見摸不著，但是它卻非常有用，因為不同偏振屬性的光在同一種介質表面傳遞的效果是截然不同的。光學上經常會用到一種叫偏振分光棱鏡的東西來把兩種光區分開來，
PBS (偏振分光器)
回到剛剛說的選擇性過濾中的特殊膜層，在光學實驗中，我們通常會把這種膜層叫做偏振分光器，通常簡稱為 PBS (polarized beam splitter)，最常見的 PBS 是以立方體玻璃塊的形式出現的，所以也叫做偏振分光棱鏡。這也是現在可以聽到頻率比較高的一個光學術語。
Google Glass
基于 PBS 的 AR 設備以 Google Glass 為代表。可以被認為是推向市場的第一代 AR 眼鏡。
類似技術的共同點是：我們可以看到眼鏡的側面伸出一塊玻璃塊到眼睛前面的位置，用于把側面的微顯示器投影的信息通過偏振分光膜反射到人眼中，同時外界光線的一半 (分光棱鏡通常會把自然光對半分開，一半反射、一半透射) 也會以同樣的光路進入人眼，這樣的話，只要顯示的信息內容和位置恰當，就會有和真實世界的東西處在同一個空間位置的感覺，也就是通常所說的疊加感。
棱鏡技術特點
根據我們剛才的分析，如果在 AR 眼鏡中使用偏振分光棱鏡的技術，則必然會有一個方方的玻璃塊擺在我們的眼前，這便是第一代 AR 眼鏡最明顯的一個缺點: 外觀的不友好。然而更嚴重的問題是，對于立方體的 PBS 而言，如果我們想要更大的顯示區域，眼鏡片(說成眼鏡塊可能更好一些)的厚度是和它的高和寬幾乎一樣，也就是說，如果我們想要一個 2cm×2cm 的顯示區域，我們就不得不接受一塊厚度至少 2cm 的玻璃塊，顯然大家是不會真的這么做的。
因此，棱鏡技術通常會把顯示區域的尺寸限制在大約 1cm×1cm 的范圍內。另一方面，偏振分光膜對所選擇的光線角度的要求很高，范圍外的光線是不具有好的分光效果的，所以系統中的光線的角度不能有太大的范圍，一般會把最終的視角控制在 15°上下的范圍。
視野范圍和視場角的大小是棱鏡技術對 AR 顯示效果最大的限制。因此我們會覺得 Google Glass 只能在眼鏡的角落位置顯示一小塊屏幕，看久了還會斜眼。
自由曲面技術
為了削減偏振分光棱鏡技術的局限性帶來的影響。光學設計師們在新的設計中使用了傳說中的自由曲面技術。
剛剛提到偏振分光膜對較大角度方位的光線的選擇效果的一致性較差，是因為 PBS 在實驗室中的應用只是為了應對頻率單一的激光的，而對于畫面的傳輸則是十分粗獷的一個器具，因為我們看到的畫面至少各種顏色都是齊全的，畫面每個位置都要求是清晰的，從光學上講，也就是說既要適應寬的頻率譜，又要有較大的近軸范圍，而立方體的偏振分光棱鏡的這兩個參數都比較差。
可能 Google Glass 真的很著急第一個推出自己的眼鏡，所以才急急忙忙出了這么一款在技術上看還并非最成熟的產品。那么如果在設計的過程中通過精密的計算，把原本的立方體表面做成彎曲的表面，甚至膜層也做成彎曲的，最大程度地利用每一個位置的分光效果，就可以更大程度地利用分光膜層，既能擴大顯示的范圍，而不產生體積上夸張的擴大，同時也能增大視場角的范圍。
以 EPSON 的眼鏡為代表，自由曲面技術把視場角的范圍提升到了 25°左右的范圍，但厚度依舊無法太小，這就意味著體積和重量對產品體驗的制約，和接下來要隆重推出的波導技術相比，只能說是瘦死的駱駝比馬大，可能這句也不太合適，因為在這里我想表揚的是馬。
離軸光學
這里需要插入一個 AR 界的古董技術，所謂離軸光學的頭盔顯示技術，至于什么是離軸光學，一下也說不明白，大家姑且理解成“光路走得很開，離開軸都不知道跑到哪里去了，因為我們并不擔心它占地方”的光學技術。
這個技術事實上是以自由曲面的設計，再加上對偏振分光器的簡單化——就是把原先的玻璃塊，縮減成一層半透明的罩子。優勢在于的確能很大程度上地擴大視場角，以 Meta2 為例，它的效果簡直相當于一塊 10cm 厚的 Google Glass 鏡片，說出來嚇死人。雖然已經極大地簡化了偏振分光棱鏡技術，視場角做得那么大也不容易，但還是不能逃脫被人嫌棄太大的命運，都快成了一個透明蓋子的 VR 頭盔了。
剛才我還提到了古董二字，這是因為這項技術早在好多年前就用在軍方的飛行員頭盔上了。好在飛行員并不在意頭上有個大玻璃罩，因為本身他們就得戴頭盔，也不在乎上面再搞點別的幺蛾子。
啊！終于輪到波導技術了，并不是我的講稿拖沓，只是波導技術是以所有的這些技術作為鋪墊而在關鍵技術點上做出創新而產生的新的技術，在實際發展過程中也是以這樣的技術邏輯產生的。
先來看一下我們經常看到的波導鏡片的諜照，仔細看的話能夠發現，波導鏡片中間的位置有一排柵格狀的條條，陣列排布，因此，我們通常管這種波導技術叫陣列波導技術。至于為什么有波導兩個字，一會兒再講。
陣列波導技術也是靈犀 AR 當前主要推動的技術。載有圖像信息的光線，經過波導片的傳送，再從陣列區域前幾代光學方案所面臨的共同問題有兩個：鏡片的顯示區域大小和視場角大小。
靈犀 AR 產品介紹
波導技術在鏡片顯示區域上已經做到了極致，因為 AR 眼鏡的終極目標不就是做成普通眼鏡的樣子么! 靈犀 AR 的陣列波導鏡片做到了 1.7mm 的厚度，透光效果看上去幾乎和普通眼鏡無差異。顯示區域不再受限于鏡片厚度，這樣便可以讓觀察者的眼睛有一個比較大的活動空間。
在視場角方面，靈犀 AR 的陣列波導鏡片已經做到了 36° 視場角，而波導技術本身的理論視場角范圍在 30°到 60°的區間內。
到底是如何做到這些呢？陣列的膜層其實也是從橫向上擴張了顯示區域，改變了原來的單一的偏振分光膜的模式。而同時每一層膜又經過了詳細的設計和數據模擬，最終的效果并不是簡單的偏振分光，而是針對每一束(位置和方向)不同的光線都有唯一的選擇性，最終經過反射進入觀察者的眼睛里，精密的計算和精確的制造高效地利用了鏡片的每一塊位置，并且精密地還原顯示器顯示的圖像，在畫面的均勻性和畫面整體質量上有著強有力的保證。
另一方面，先前的偏振分光棱鏡技術的厚度受到限制，也是因為光線平行于鏡片傳輸過程中需要一定的鏡片厚度作為光線寬度的保證，允許所有的光線能順利通過。而在波導技術中，卻不用擔心這個問題，因為波導技術利用了鏡片的兩個表面，鏡片的內壁是可以讓光線進行反射的，這樣光線在鏡片內壁中來回反射，跌跌撞撞最終打到相應的膜層上，反射到觀察者的眼睛里。這樣就減少了對鏡片厚度的要求。
可能有人會想，光線在打到鏡片內壁的時候不會沖出來么?這是個好問題，不過幸好，光在介質中傳播還有一種特殊情形，就是傳說中的全反射。簡單地說，就是從玻璃或者塑料這些比空氣折射率大的介質(我們叫光密介質)中以一個比較大的角度(接近平行于表面)打到內壁上的光線，全部會經過反射繼續傳播。就像是我們在潛到水下的時候，從某些角度去看水面是看不到水面以上的東西的。這種全反射的方式在平板內部“碰壁”式傳播的過程就叫波導傳輸，平板介質相當于一個傳導波的工具，故名“波導”(waveguide)。
靈犀 AR 二代原型機 Sapphire PT2
波導因其可以幾乎無損耗地傳播光線，因此在生活中的應用還有很多，比如說我們用在寬帶網傳輸的光纖，和許多用作裝飾的星星點點的燈具。說到這里，再次給大家介紹一下靈犀 AR 的第二代原型機 Sapphire PT2，搭載著靈犀 AR 自 主研發的光學引擎，36°視場角，分辨率 1280×720，在交互方面，使用了基于深度攝像頭的手勢識別和語音識別，以及基于攝像頭和姿態傳感器的頭部跟蹤。
回來再講講我們的未來。從這樣一個角度來看波導方案，就會覺得其實波導片本身是作為一種光線的橫向傳輸方式存在的，也就是從電子顯示屏上透射出來的光線，讓其神不知鬼不覺地被轉運，然后從鏡片中間帶區域展現出來。這樣我們其實可以把波導方案從流程上拆分成 三個部分：耦入部分、傳輸部分、耦出部分。即：電子顯示屏的光線通過某種方式進入到波導，經過傳輸，再以某種方式導出波導，進入觀察者的眼睛。
這樣的話我們把波導技術作為一種橫向傳輸手段，如果我們能找到其他的方式來做這里講的耦入和耦出，不就有新的方案了么! 光學上經常用到的光線選擇處理手段除了廣為流傳的偏振分光膜以外，還有一種實驗室產品，那就是光柵。
光柵是在波導的表面而非內部做一些處理，是另外一種膜層，它用光的干涉來處理光線的偏折問題，對光線的頻率上的純度要求很高，光學實驗室本身是用單色的激光來制作和使用光柵的，目前得以實現的基本上都是只對單色光有特別響應的光柵，也就是說，真的用光柵做顯示的話，要不就一種顏色，要不就用三片鏡片摞在一起，和 Hololens 一 樣，其實厚度也不小。
經過光柵處理的光線，我們能看到的視場角還是比較受限制的，目前所實現的全息光柵波導的視場角都沒有超過 30°的。光柵技術雖然還不很成熟，但其發展的前景未來不可小覷。 不過即便是單色的光柵，造價也同樣不菲，制造工藝上也有很多麻煩的環節需要一步步去克 服，別問我為什么知道，透露太多會被老板拔網線的。
好的，今天就講到這里，從 AR 概念的產生到業界一步步鋪開技術的道路，最終到高大上的波導技術，我只是給大家做了一個簡單地介紹，其實每一個環節再拿出來，都還有許多可以講好多個晚上的東西。希望以后再有機會可以和大家分享。
1、光學在 VR 或者 AR 中是否屬于核心技術和難題？
王耀彰：（搬運自本人在知乎的回答）對于顯示而言，光學當然是核心技術，但是是否是難題，則需要發展地去看問題。從當前的技術的階段性來看，VR和AR是存在于不同層面上的：
展示畫片用的西洋鏡作為簡單粗暴的近眼顯示設備，在上個世紀初就開始盛行了，這和當前市面上的VR盒子從光學上而言沒有本質上的區別，而這種光學技術從伽利略造望遠鏡的時候也就產生了。直到現在智能平臺的出現能讓畫片大小的區域顯示所有自己想要的內容，便有了如今的VR設備的體驗。而智能平臺的加入除了能夠在顯示內容上隨心所欲意外，還為我們展示了不同的交互方式，讓我們可以全身心融入虛擬的場景。
AR設備的近眼顯示真正做到便攜級別也只有等到Google Glass面世了（飛行員頭盔那種離眼睛太遠的不算……）在Google Glass同類產品進而試圖瓜分市場的過程中，大家發現AR光學技術真的處在一個幾乎很原始的階段，視覺效果和VR設備的體驗不可同日而語，而像科幻劇里面人們所展望的那種設備，則距離遙遠。隨后就出現了新的方案，在我認為是劃時代的新的方案：Lumus為首的陣列波導、微軟HoloLens牽頭的全息波導。新技術的初始階段，都會為工藝而煩惱，為什么Lumus遲遲不出量產機型，HoloLens的低出貨量都快把產品推成了收藏品？就是因為光學技術在實際生產過程中還是需要做很多考證和試驗的。
有知乎網友提到反向工程，光學結構和電路設計不一樣，并非所有的產品都能從最終形態反推出工藝過程的：Google Glass的方案中所使用的偏振分光棱鏡，但凡是個光學實驗室，都會用得到，其原理也比較簡單，所以一時間雨后春筍一般出來各種仿制產品。但對于HoloLens的全息波導，三種顏色每一層都要經過特殊方向的激光來做曝光，在涂有特殊材料的鏡片表面進行光學處理，最終形成所需要的全息光柵，過程中所使用的激光光強、中心頻率、帶寬、相干性，以及材料的配方、曝光時間、曝光溫度這些都是經過許多次光學實驗獲得的最優方案。這些參數都無法通過簡單的光學分析來反推出來，通過成千上萬次的實驗尋找最佳參數的過程中的隨機性也提升了技術研發的難度。
總之，因為光學技術的門檻高低不同，VR已經早早地進入內容比拼的階段，而AR則依舊在解決光學技術難題的道路上摸索前進。也許在不遠的未來，AR光學技術被熟練地運用到近眼顯示模塊中，不管這些技術是否被大眾所熟知，它都會成為我們生活的一部分：像可口可樂一樣，雖然百年以后我們還是不知道配方，但是我們仍然可以人手一瓶Open Happiness。
2、全息光波導和半透膜光波導的差別是什么？靈犀的產品如何解決色差的問題？
王耀彰：全息光波導和半透膜光波導（也就是我們剛才說的陣列光波導），差別是耦出的方式不一樣。
色差（或者說色散），首先顯示器顏色要比較正，然后剛才也提到，不同的光線進行處理時對膜層的設計和仿真過程中，要盡量將色差（色散）降低到最小，到人眼不能分辨的地步，因為所有的光學系統都會有色差（色散）的問題。
3、最關心的問題：可量產性以及量產技術？
王耀彰：肯定比傳統光學的一些加工技術會難很多，所以是一個需要克服的問題。我們目前已經有了一些量產的方案，預計年底之前會落地。
4、對于AR技術來說，視場角是一個比較明顯的缺陷，視場角偏小也是困擾用戶的主要問題之一。請問這主要是哪些方面的原因所致？目前業內有沒有一些有效的解決方案？
王耀彰：前幾代技術視場角偏小的原因還是因為光學設計本身是考慮近軸近似的，也就是說，離光軸近的光線還原度高，離光軸遠的光線，就有可能出現質量上的差異。波導技術在設計計算方面繞過了近軸近似的問題，我們看到的陣列事實上就是為了保持不同方向的光線（大角度光線）的性狀的一致性。
5、不同的波長在波導內傳播的全反射角不同，那么不同波長光程差不同，這個是波導固有的吧。而且想問下，為了做到不同的反射面不會因為不夠平行而產生重影，平行度要達到秒級，分辨率越高越是如此，在這種情況下如何解決量產問題呢？
王耀彰：全反射角是一個臨界值，只要超出這個角度，就能全反射，所以是有區間上的很大交集的。
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