AR眼镜的技术瓶颈
从2012 年Google Glass 发布至今20年来，各大厂家陆续推出自己的AR 眼镜。
相对于VR 眼镜，考虑到AR 眼镜需要感知周围的复杂环境，而且轻量化和续航方面都有更加严苛的要求，所以其技术难度远高于VR 眼镜。
2021 年VR 眼镜的出货量已经达到千万级，而AR 眼镜的出货量只在十万数量级。一个主要原因是，AR 眼镜技术在光学、显示、主控芯片、加工产业链等方面均未成熟，产品形态不稳定，整体发展慢于VR。
那么，AR眼镜技术的瓶颈在哪里？要弄清楚这个问题首先要了解AR眼镜的基本结构。
图5.3 AR眼镜功能结构图[7]
图5.3是典型的AR眼镜功能结构图，其中相机识别的图像或动作可以实现：采集的图像可通过图像处理器处理后可实现SLAM[8]创建环境地图并确定虚拟物体在环境中的位置；采集到的动作（含肢体动作和眼睛动作）实现手势交互和眼动交互（虚拟键盘本质上是手势交互的一种）。
传感器识别到的数据可以实现：通过麦克风采集到的语音数据可以实现语音识别；通过加速度计和陀螺仪可实现虚拟物体的动作与现实世界的完美匹配；通过温度计和气压计等可以实现与环境的密切互动……
通信模块不但可以实现正常的通信和虚拟模型传输，还可以将部分运算通过5G或WIFI连接到云端，从而节约本地算力，最终通过减少CPU和电池重量等大大降低眼镜的重量。
光学显示模块主要由微型显示器与光学元件组成，通过光学显示模块人们可以实现既看到现实场景，又与虚拟对象互动。骨传导技术和扬声器可满足人们不同场景下的音频传输需求。
通过以上功能，未来AR眼镜可以实现以下功能：
人们佩戴一副重量不超过50克的AR眼镜（因为算力多数移到了云端，得以降低眼镜重量），眼镜中的光波导和微显示模块可将虚拟场景和虚拟对象投影到现实场景中，SLAM技术实现虚拟物与现实场景的自然融合，人们通过手势、眼动、语音等途径与虚拟对象互动，还可以远程与朋友通信，通信过程中远方朋友的虚拟形象逼真地“站或坐”在你的旁边。
如果配合温度计、湿度计或人脸识别等数据，佩戴眼镜的人可以实现真正的“透视眼”，你不用碰水杯就知道水的温度，因为温度传感器已经测量；你不用认识某个人就知道他的姓名甚至履历，因为人脸识别数据已经告诉你。
没错，这是未来，不是现在。
现在AR眼镜还不具备以上能力，技术瓶颈集中在以下几个方面：一是光学显示模组解决方案；二是眼镜的体积和重量（除分体式眼镜有办法做到100克以下之外，一体机的重量目前还未进入消费者可接受的区间）；三是电池的续航能力；四是辐辏调节冲突导致的眩晕问题。
光学显示模组解决方案是AR眼镜的重点，光学显示模组是指由“微型显示器+光学元件”组成的近眼显示技术。
目前AR设备中多种微型显示器共存，技术路径并未统一。其中使用较多的是LCOS（反射式微液晶投影）、micro-OLED、DLP（RGB激光投影），近年来出现的Micro-LED 由于具有高亮度、低延时、低功耗等优点有望成为 AR眼镜微显示器件的最优选择，但由于其量产能力差，目前还没有眼镜使用。
现有的常见AR光学系统，可以简单归类为两种主要方案：
第一类是利用光学元件的半透半反射特性，将部分显示光反射到人眼中，同时外部光线也可以穿过此光学装置，从而实现图像与现实世界的结合。
这一大类的光学装置有三种，分别是棱镜光学方案（prism）、自由曲面光学方案（free-space）和birdbath方案（折返式光学）。棱镜光学系统的结构最简单，但如果FOV（视场角）[9]增加，其体积将急剧增加。自由曲面和birdbath光学系统的设计则比较复杂。
总体而言，三种反射式光学系统的结构需要较大的空间来实现，这造成了重量和体积的增大，限制了其在消费电子领域的应用。(https://www.daowen.com)
第二类是光波导解决方案。目前技术方向有几何光波导和衍射光波导两种，很多资料说还有全息光波导，其实这不准确，全息光波导是衍射光波导的一种。
其中，几何波导的工艺难度非常大，因此良率较低，可量产性差，短期难以商用。
衍射光波导技术有两种不同的技术实现方式，一种是通过光刻技术制造表面浮雕光栅波导（Surface Relief Grating，SRG）和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导（Volumetric Holographic Grating，VHG）或被称为HOE（Holographic optical element）。
目前表面浮雕光栅波导应用较广，如HoloLens 2、Magic Leap One均使用这种方案，但这种技术和芯片的制造技术高度类似，需要使用千级无尘室和极其昂贵的晶圆生产设备，如果要做到眼镜大小，其成本和同样大小的芯片价格差不多，因此价格极其昂贵，且短期无法看到成本下降的空间。
相应的，全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅，成本会较浮雕光栅大大降低。苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅，另外致力于这个方向研发的还有Digilens。
总体来说，目前市面上的AR眼镜主要使用的“显示+光学”解决方案可以分为四类：
第一类以Google Glass为代表的反射式微液晶投影技术（LCoS）+棱镜光学方案，价格便宜但视场角较小且遮挡部分光线，但是由于光学显示方案的限制无法做成普通眼镜的形态。
第二类以Epson BT300和Nreal Light为代表的Micro OLED+自由曲面/Birdbath方案，对比度、分辨率、色彩还原度表现较好，视场角较大，但目前Micro OLED亮度低，光学本身透光率较低，体积方面也较大，佩戴不舒适。
第三类以HoloLens和Rokid Glass 2为代表的Lcos/DLP/Micro LED+浮雕光波导方案，此方案亮度、透光率较高，眼动范围较大，显示部分可以做得轻薄和类似于眼镜的形态，但存在偏色问题。
第四类就是Akonia和Digilens主攻的Micro LED+全息光波导方案，这种方案可用Micro LED的高亮度显示弥补全息光波导光效低的问题，未来在Micro LED量产之后的技术前景比较广阔。
表5.1 AR眼镜显示模块解决方案
续表
如上四类显示方案中我认为高亮度、低功耗的Micro LED+全息光波导是未来AR眼镜显示方案的主要方向，无论是效果还是成本都达到了几近完美的组合，不过要等待Micro LED 技术的进一步突破。
不过这也只是预测，就像平板电视有DLP、等离子和液晶等多种解决方案，不少厂家一开始看好等离子方案，谁知最终却是液晶方案一统天下。所以，“鹿死谁手”还需留待时间来检验。
AR眼镜的体积和电池续航能力问题其实是个二级问题，因为体积是由元器件大小和数量决定的。如果未来可以将光学显示模组重量降低，同时将大多数运算释放到云端，体积自然会降低。电池续航能力也一样，到目前为止，电池技术早已到达瓶颈，电池储量远远不能满足AR眼镜高强度计算所带来的能耗需求。目前解决这个问题的方向有两个：一是使用容易更换的备用电池；二是将本地运算尽量转移到云端。
看得出来，体积和续航能力问题依赖于云计算、5G、电池等相关技术的进步，我们这里不做深入讨论。
AR眼镜的另外一个瓶颈问题—辐辏调节冲突，则是晕动症的诱发因素之一，容易使用户产生恶心、头晕、眼睛疲劳等症状，一直是AR显示领域的未解难题。
Facebook Reality Labs显示系统研究总监道格拉斯·兰曼曾在EI2020大会上分享过他在不同显示技术方案上的研究，其中包括如何用不同方案去尝试解决视觉辐辏调节冲突。据说在技术层面上，Facebook已经解决了视觉辐辏调节冲突，但目前并没有披露技术细节。
期待不久的将来，AR眼镜的显示光学、体积、续航和辐辏调节冲突问题都能得到解决，届时AR眼镜将迎来无比光明的未来。
