虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 在过去几年中受到了媒体的广泛关注。 这些技术在包括游戏、医疗保健、培训、工程、建筑、室内设计、旅游、国防，甚至产品营销在内的众多应用领域得到广泛采用。 但时至今日，VR/AR 仍未对大多数人的生活产生重大影响。
造成这种情况的两个主要原因是 VR/AR 头显的质量和成本。 具体来说，质量涉及图像亮度、分辨率、视野以及速度和功耗这样的电子特性等因素。 此外，头显尺寸、重量和电池寿命等实际考虑因素也很重要。 成本意味着需要将头显价格降低到足以让大多数消费者都有能力购买。
AR 面临的挑战
要推动所有这些方面的改进，还有许多技术障碍需要克服。 与 VR 头显相比，AR 面临的这些挑战通常更大。 为此，让我们首先回顾一下这些术语的具体含义。 下表中总结了这些定义。
头显类型 |
功能 |
头显特性 |
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完全沉浸式显示器，完全覆盖用户的眼睛并呈现模拟视图。 看不到实际的周围环境。 |
显示器通常基于 LCD 或 OLED 技术。 这款显示器直接位于用户眼前，可通过镜头观看。 显示亮度要求比较宽松，因为用户需要在黑暗的环境中观看显示屏。 |
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完全沉浸式显示器，完全覆盖用户的眼睛，但也包含实际周围环境的实时视频馈送。 虚拟和真实元素在用户视图中组合在一起。 |
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半透明显示器，让用户可以直接看到周围的环境。 计算机生成的图像呈现在真实物体的旁边或叠加在真实物体上。 |
显示器基于微型显示器或激光束扫描技术。 它们与观看者的眼睛位于头显光学器件的同一侧。 使用光学组合器（例如波导或半透明反射镜）合并虚拟和真实视图。 需要高显示亮度以匹配环境光条件。 |
VR 和 MR 头显的一个关键特征是可以直接观看显示屏 – 也就是说，它们就在观看者眼前。 这使得能够使用类似于显微镜、双筒望远镜和测距仪等仪器中使用的相对简单、传统的观察光学元件。 尽管 VR 光学系统在尺寸上减小了很多。
相比之下，AR 护目镜中的显示屏不在用户的视野中，因此需要复杂的光学器件将光线重新导向用户的眼睛。 显示输出必须与佩戴者对环境的直接观察相结合，以使虚拟物体看起来像是在现实世界中一样。 实现这一目标的光学器件（通常是分束器或波导）比 VR 头显镜头复杂和精密得多。
此外，计算机生成的图像必须在真实世界视图中以正确的位置、距离和方向呈现。 这需要头显持续跟踪用户的头部和身体运动，并确定真实环境中物体的大小、位置和方向。 虽然大多数 VR 头显还包含一些头部和身体运动跟踪功能，但 AR 中对此的要求通常更为严苛。
Coherent 制定了清晰的 AR 未来发展计划
Coherent 一直在积极参与开发能够解决 AR 系统这些问题的基于光子学的解决方案。 我们主要关注 AR 头显的三个功能元素 – 显示投影仪（或光引擎）、光合路器和光传感器。
显示引擎
大多数 AR 头显都使用 MicroLED 或激光束扫描光引擎。 Coherent 在为 MicroLED 生产提供关键技术方面享有盛誉。 具体而言，Coherent 工具采用激光剥离 (LLO) 技术，将 MicroLED 与蓝宝石生长晶片进行分离。 有时在采用 LLO 之后，还通过我们的 UVtransfer（也执行 LLO 和像素修复/修剪）实施激光诱导前向转移 (LIFT) 技术。
Coherent 在制造用于显示投影仪的一些微型光学元件方面也拥有广泛的专业知识。 其中最有趣的一个元件是用于准直的“超表面”微透镜阵列。
超表面透镜利用纳米结构来改变入射光的波前。 这些功能的制造精度很高，并且满足 MicroLED 阵列上的严格公差要求，能够对来自各个发射器的光进行校准。 超透镜扁平且非常薄，可以无缝集成到显示引擎包中。
一个额外的好处是可以使用光刻或其他晶圆级技术制造超透镜。 这意味着可以经济地大批量生产它们。 因此，这项技术非常符合 AR 护目镜的制造要求。
Coherent 还为光引擎提供其他光学组件。 其中包括用于激光束扫描仪 (LBS) 的 RGB 组合器或用于 LCOS 显示器的薄膜偏振器，以及可应用于各种类型玻璃或集成到几乎任何光学元件的光学叠层中的各种光学镀膜。
光合束器
收集显示输出并重定向它，使其看起来与佩戴者直接看到的周围环境重叠，这可能是 AR 头显装置设计中面临的最大光子挑战。 不同的团体目前正在实施许多高度创新的设计理念来实现这一目标。 同样，Coherent 还提供制造其中一些设备的技术，以及实际设备组件本身。
在许多头显中，护目镜镜头都采用波导结构。 它们能够将来自显示器（位于框架中）的光引导至用户的眼睛。 波导在显示引擎附近有输入耦合器，在透镜中心有输出耦合器。 这些输出耦合器以表面起伏光栅 (SLG) 或全息光学元件 (HOE) 的形式加以实现。
使用激光在光聚合物中记录 HOE。 具体来说，此过程使用三个激光源（红色、绿色和蓝色）来完成。 与其他形式的全息摄影术一样，用于此技术的激光源必须是单频、具有较长的相干长度、工作稳定性高，并且最好输出高功率（以尽量减少曝光时间）。 Coherent Genesis 和 Verdi 激光具有所有这些特性，使其成为记录 HOE 的理想选择。
Coherent 还可以制造多种不同的光束组合器元件，包括透镜材料本身。 一些领先的 AR 公司正在探索将光学晶体用于镜头，以替代玻璃。 晶体材料的折射率可以达到 2.3 或更高。 这扩大了视野，并能够通过单个波导传输所有三种颜色，而不是使用玻璃时需要的两层或三层波导。 这有助于减轻 AR 护目镜的重量，让用户体验更加身临其境。
光传感器
Coherent 一直是生产基于激光的深度或 3D 传感器组件和模块的领先制造商之一。 具体来说，我们的大功率 VCSEL 光源（单发射器和阵列）广泛用于受欢迎的智能手机。 这些光源包括用于飞行时间 (TOF) 或结构光深度传感模块的阵列。 此外，我们还可以将我们的 VCSEL 阵列与我们的衍射或超表面组件配对，以产生均匀的泛光照明或点图案。 我们还设计和制造激光驱动器 IC，并且可以将所有这些组件集成到超紧凑模块中。 我们的光子学专家明白，在 AR 应用的 3D 传感方面，小尺寸和低功耗是关键指标。
AR 和 VR 头显的定位是，成为下一个主要的消费类电子设备和互联网设备。 Coherent 拥有非常全面的适合制造 AR 护目镜的基于光子学的技术产品组合。 这使我们能够支持该领域的创新（特别是在提供制造工具和组件方面），让超紧凑、低功耗和高性能设备在取得广泛市场成功方面发挥关键作用。
详细了解 Coherent 提供的 AR 技术。
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