這幾日，AR/VR行業又在美國掀起了一波高潮。
據悉，備受期待的蘋果XR頭顯可能馬上在6月5日的WWDC上發佈，聞風而動的Meta趕緊在6月1日就放出了Quest 3的正式宣傳，先聲奪人加入了混戰。
而在這兩天開幕的矽谷AR/VR行業盛會AWE上，高通、Meta、Magic Leap、XREAL、ThinkReality等老牌XR廠商密集亮相。
據Bloomberg等多家外媒猜測，蘋果XR頭顯可能采用Pancake的光學方案，在VR功能的基礎上，采用與Meta Quest Pro及Quest 3相同的VST技術《攝像頭拍攝視頻透過》以實現兼容AR功能。
蘋果、Meta兩大家同時下註，這使得AR、VR雙模混合成為了行業新風向，但兩家都不約而同選擇VST，則隱隱點出了一個存在已久的行業痛點，即業界缺少光學透過式《OST》的大視角AR光學方案。
此次AWE大會上展出了一款由Ant Reality帶來的120度大視角超薄AR光學方案，吸引了大量業內人士排隊打卡體驗。
以下，我們通過Ant Reality的大會演講的中文譯文，來探析一下實現120度大視角超薄AR光學的技術路徑。
《幹貨預警，共4554字，閱讀約花費7分鐘。》
大家好，我是Ant Reality的創始人覃政。
今天要介紹的是我們的Crossfire：一款AR/VR兩用的120°視角AR光學，它集成到產品中將會是這樣輕薄的眼鏡形態。
眾所周知，大視角是行業所趨，然而在AR領域，大視角卻非常罕見。
1。
混合波導為什麼能實現大視角？與Birdbath、自由曲面、波導方案對比
這是業界常見的Birdbath方案的光路圖，由於視窗口徑《View aperture》受限於體積問題不能做得更大，而視窗距《View distance》又無法進一步縮短，Birdbath的極限是縱向視角29°對角線60°，也就是說，幾何因素限制了birdbath可實現的最大視角為60°。
這是自由曲面方案的光路圖，由於它是離軸的《Off-axis》方案，導致其產生扇形畸變，畫面邊緣清晰度低、圖像扭曲，即使是軟件反畸變算法也無法很好的校正。
之前業界有過90°以上的自由曲面方案，但體積非常大。
若做成眼鏡體積，且要求畫面足夠清晰，則最多隻能利用自由曲面視野中心50°左右的區域。
傳統波導包括衍射波導和幾何波導，這是傳統波導的光路圖，它的視窗口徑較大、視窗距較短，因此可以獲得較大的視角。
然而，大視角需要光機來提供足夠大角度的耦入光線。
例如，若將視角做到70°，此時光機已經達到3.4cc的體積。
過大的光機會在產品左右或上方形成阻擋，導致無法眼鏡化，典型的就是Magic Leap或Hololens這樣的頭環形態。
如果希望將產品外形維持在眼鏡形態，那麼縮小光機體積的同時，通常也會導致視角減小。
況且波導方案成本也非常高，這無疑又為市場化增加了障礙。
下面是今天要介紹的全新的光學方案——Mixed Waveguide混合波導的光路圖。
混合波導通過介質內全反射《TIR》，將光線在波導棱鏡中多次折疊後最終送入人眼。
整個成像系統是在軸的《On-axis》，從而在實現大FoV的同時保證了高MTF《圖像解析度》。
其特殊構型帶來的更大視窗口徑和超短的視窗距，使得單個混合波導系統的視角可達90°。
此外，混合波導鏡片薄且無需光機，光源端采用micro-OLED等薄板式光源即可，這使得整機可實現窄邊框的眼鏡形態。
這是透過混合波導Type-A光學模組的實拍視頻，可以看到它視角非常大，圖像明亮清晰銳利，且鏡片輕薄呈眼鏡形態。
混合波導Type-A和Type-B均采用剛才介紹的單混合波導系統，可達最大視角為對角線90°。
Type-C，也就是今天著重介紹的Crossfire雙混合波導系統，光路圖如下，通過兩套單混合波導系統進行雙向拼接，通過在軸圖像融合，最大可達到對角線135°的融合視野。
混合波導系統通過特殊的偏振系統設計實現了雜光的消除，如下圖所示，圖示中紅色的線偏振s光產生的多個非正常光路雜光被綠色的線偏振p系統消除，從而杜絕了大部分鬼影《Ghost image》；同時，紫色的圓偏振片系列除了可以防止光線外溢形成漏光《Eye-glow》，還實現了反射旋光，以保證正確光路的唯一光線從s光變成系統允許通過的p光而最終進入人眼。
偏振反射和偏振旋光的設計，使得整個系統擁有很高的光學效率。
最終帶來的優良效果是，用戶獲得足夠明亮的顯示圖像，整個視野非常通透幹凈，且系統內向鬼影和外向漏光都得到了有效控制。
就這樣，我們實現了超大視角的AR。
2。
光學透過《OST》為什麼比視頻透過《VST》好？混合波導與Pancake+VST對比
但這並不是業界第一次實現超大視角的AR體驗，歷史上有過幾次，通過大體積的頭盔實現類似的效果，但產品形態太臃腫，市場並不接受。
最近一次，相信大家還記憶猶新，是從Meta Quest Pro上體驗到的，它是一種VST《video see-through視頻透過》的Pancake方案。
今早剛剛公佈的Quest 3，也是采用同樣的方案。
而且馬上在6月5號矽谷某大廠即將發佈的產品，據媒體爆料也是采用Pancake+VST的方案。
但很明顯，OST《optical see-through，光學透過》的AR才是未來產品所必須的。
為什麼說OST比VST好呢？
亮度上：VST的亮度由屏幕亮度決定，在100-600尼特之間；OST的光學透過由透過率和外界光線決定，可達到6600尼特甚至更高，是VST的十倍以上。
分辨率上：VST的分辨率約2k-4k每眼；而OST由人的視網膜決定，分辨率約為24k+每眼，也是將近10倍的差距。
延遲上：OST看見真實外界環境，完全沒有延遲；而VST總會存在延遲。
這個是有無問題，非常關鍵。
焦平面上：VST隻有1個焦平面；而OST透過鏡片看見的真實世界存在無數個焦平面，可以防止輻輳沖突和眩暈的產生。
這個是深層原因。
可見，OST在亮度、分辨率、延遲、焦場等方面上完勝VST。
VST隻是在尚未出現超大視角AR光學方案背景下的臨時過渡方案。
如果我們直接將Crossfire與Pancake進行對比：
視角：二者都在100多度，均可實現超大視角。
厚度：Pancake的光學厚度在15-25mm；Crossfire更薄，隻有10-13mm。
支持AR：Pancake隻能通過VST的方式使用攝像頭來轉錄重現；而Crossfire是天然透明的OST。
鬼影：大家都知道Pancake的鬼影問題比較頭疼，因為它是直入式圓偏振折返系統，『圓偏振突破『問題始終存在，導致鬼影難以消除，目前做的最好pancake方案的鬼影依然有1%，這個還是非常明顯，影響畫質通透度；而Crossfire因為本身是側入式線偏振折返系統，因此在保證AR顯示的同時通過線偏振隔離將鬼影控制在0.1%，這隻有pancake的十分之一水平，視覺感官上非常明顯要通透很多。
成本：你一定會問，雖然Crossfire聽起來不錯，但是上下兩套系統融合，成本上是不是很高？我們計算了一下，Pancake若采用1.4英寸的屏幕，屏幕單價為300美元；而Crossfire采用兩塊0.9英寸的屏幕，屏幕單價為140美元，兩塊加起來也就280美元。
而二者的鏡片成本是類似的。
也就是說，Crossfire整個方案比Pancake的成本還要略低一些。
綜上，Crossfire與Pancake相比，都可以達到超過100°的超大視角，但Crossfire更薄、真實世界還原度好、鬼影問題更小、且價格更低。
本次AWE，大家可以體驗到我們最新發佈的Crossfire Max 3K，它是一款單目3K分辨率的AR+VR兩用光學模組，視角為120度，厚度為13mm。
通過實拍的視頻可以看到，模組可以實現顯示光線的遮蔽，從而實現VR和AR兩用。
視頻中我們可以看到，3K超高分辨率的清晰圖像之下，背景的現實世界在切換明暗，實現AR透過，或者VR封閉。
這是我們基於液晶光閥的電致調光方案的神奇效果。
有了Crossfire技術，我們很自豪的宣佈：超大視角的光學透過式AR，我們終於攻克了這個難題！
3。
靈魂追問：如果其他光學方案也采用Crossfire雙向拼接的概念，是否也能實現同樣提升呢？
那麼，有人會說，你的雙向拼接的方法很聰明，但是其他光學方案也可以這樣來做吧？
比如經典的自由曲面方案，如果把他做成雙向拼接，就會存在比較嚴重的眼動畫面融合問題。
通過這個動畫的分析對比可以看出，如果自由曲面采用拼接方案，將會是類似左邊這樣。
由於他是雙離軸的系統，所以產生了上下兩個相反的扇形畫面，這兩個畫面是銜接不上的。
那麼假設通過軟件分別對上下畫面進行反畸變處理，這時候上下畫面是可以銜接上了。
但是，人眼並不是靜止不動的，當眼球移動起來《Eye-shifting》，我們看到，剛才還能銜接上的畫面就又開始持續錯位了。
假設再土豪一點，加上眼球追蹤來實時根據人眼位置進行圖像校正處理，是否就可以解決問題了呢？不，即使加上眼球追蹤，隻能解決X和Y方向的像素錯位問題，而因為自由曲面不對稱性導致的上下畫面的焦面也錯位了，這是Z方向的錯位，是光學問題，算法解決不了。
而右邊Crossfire的情況就好了很多，因為是在軸系統，無論人眼移動到什麼位置，上下拼接的畫面始終是自然地融合在一起，幾乎可以達到完美的拼接顯示效果，做到無接縫，無重影。
我們已經知道，自由曲面的拼接方案不好，存在無法完美融合的問題。
那如果將經典Birdbath方案和傳統波導方案也進行雙向拼接，又會怎樣呢？
結論是：
Birdbath若做成雙向拼接，視角最大隻能達到80°，厚度卻要做到實心棱鏡25mm以上，重量太重，慘遭淘汰。
波導若做成雙向拼接，成本必然加倍，是消費級眼鏡承受不了的。
而我們的混合波導Crossfire，它的在軸顯示系統可以實現畫面完美融合，100°以上的超大視角但厚度隻有10-13mm，非常輕薄，並且擁有更低的整體物料價格《BOM》。
4。
采用Crossfire光學的眼鏡與Hololens 2、Magic Leap 2、Meta Quest Pro橫向對比
本次AWE我們發佈了Crossfire的整機參考設計，這是一款AR+VR兩用的一體機，眼鏡形態，厚度為10mm，視角為100°。
我們首次采用純光學式的動態調光，可以實現更大范圍的0.002%-33%的透過率，簡言之，也就可以實現更黑的VR封閉和更亮的AR透過。
一起看一下它大視角和VR、AR切換的實拍視頻：
所以，如果Crossfire參考設計變成實際產品，它與市面上幾款主流的AR設備進行橫向對比：
Hololens 2采用OST，固定透過率40%，視角52°，隻能用於純AR。
Magic Leap 2采用OST，有0.3-22%范圍的動態調光，暗狀態不夠徹底，仍然會泄露顯示光線，且視角70°也不夠大，因此也隻能用於純AR。
Meta Quest Pro本身是為AR、VR兩用設計的，視角為106°，但他使用了不夠完美的VST方案。
Crossfire的OST方案專為ARVR混合而生，它達到了0.002-33%大范圍的動態調光，在VR模式下，最暗可以黑到0.002%的透光率，即使對著太陽等強光源也看不到，在AR模式下，最亮達到33%的透光率，基本可以戴著這樣的眼鏡在陰天不開燈的房間裡也不覺得暗。
視角夠大為100-120°，支持VR沉浸體驗毫無壓力。
而Crossfire光學方案的低成本可量產性，導致終端產品售價上不需要幾千美元，而是可低至$500-800美元，更適合消費級市場。
可以說，Crossfire是一款完美的AR/VR雙模混合方案。
5。
下一代AR光學方案，更好的混合波導
總結介紹下，我們的混合波導家族，Type-A視角85°厚度9mm支持沉浸式娛樂，Type-B視角56°厚度6mm主打輕薄觀影和日常佩戴，Type-C專註AR+VR兩用，其中Crossfire視角100°厚度10mm，Crossfire Max視角120°厚度13mm。
為什麼混合波導更好？因為這六大優勢：
它視覺口徑大、視距短，帶來更大的視角。
它不需要光機，所以可以做到無邊框的眼鏡外形。
采用全反射折疊光路，厚度有效降低至薄鏡片形態。
消除了鬼影，且不采用衍射器件，使得透過顯示效果非常清澈。
因為它是在軸顯示原理，所以MTF非常高，畫質清晰銳利。
最後也是最重要的，它擁有類似於Birdbath和Pancake的消費級價格，並且已經實現了量產。
這個新技術的誕生，為未來的ARVR產業提供了更豐富的想象空間。
混合波導Type-A和B可取代Birdbath成為下一代消費級光學方案，應用該方案的眼鏡可主打類似手機與平板的輕度全天候場景。
混合波導Type-C及Max，可成為取代Pancake+VST的升級方案，支持沉浸式ARVR融合體驗，可瞄準辦公場景取代筆記本電腦，或聚焦娛樂場景取代遊戲主機或PC。
整個混合波導系列將會在未來元宇宙生態中作為硬件基礎設施發揮其價值與作用。
很高興，混合波導已經投入量產，量產的合作夥伴是全球知名的歌爾Goertek。
一些AR、VR終端硬件廠商已經采購了混合波導技術方案，將會用在下一代產品中。
在去年的AWE，我們首次展出了Crossfire，展出後，我們的120°模組得到了Karl Guttag的認可。
在今年的CES上，混合波導受到了更多的關注，大視角以及AR、VR切換的功能讓大家耳目一新，全球很多媒體進行了報道。
本屆AWE，蟻視《Ant Reality》的展位在113號。
大家可以在展位上體驗到Type-A、B、C的模組和以及Crossfire的參考設計，歡迎大家前往體驗。
謝謝！