利用光場顯示技術，CREAL曾展示出可自然變焦的3D顯示效果。
為了驗證該技術在AR和VR場景的應用，該公司分別打造了兩款頭顯原型。
頭顯對於VR來講比較常見，但對於AR來講，眼鏡形態才是未來的發展方向。
因此，為了縮減AR硬件的體積，CREAL計劃將光場方案與全息光學元件《HOE》結合，來更加輕量化的AR光學模組。
此外，該公司還在最新的報告中對比各種AR光學方案，讓我們更加了解光場+HOE的優勢。
CREAL指出，理想的AR眼鏡看起來就像是普通的眼鏡，可充分透過周圍的環境光，僅顯示AR光束，而這種需求一定程度上違背了物理規律。
目前，市面上的AR方案通常其采用光學組合器/透鏡，將數字的AR內容與現實環境融合，這種組合器應該在消除彩虹色、發光等偽影的情況下，向使用者的雙眼投射高質量、明亮、逼真的3D圖像，此外它要能和處方鏡片集成，應用在普通眼鏡中，適合任何人佩戴。
CREAL產品路徑
該公司的目標就是打造出既有高透光性，又支持完全反射的光學模組。
目前，市面上能夠做到輕薄美觀、支持廚房校正、技術成熟的光學組合方案隻有兩種：全息光學元件和衍射波導。
而為了實現上述願景，CREAL開始自研基於光場和全息原理的AR組合器，號稱可用來打造時尚、舒適、低成本的處方AR眼鏡。
CREAL表示：過去幾十年裡，行業內一直嘗試在輕便的AR眼鏡中實現虛實圖像自然融合的效果，而實現這個目標的一大關鍵就在於光學顯示技術。
如何創建逼真的AR圖像？又如何將AR與物理環境自然融合？這些都是需要解決的問題。
顯然前一個問題更難解決，就目前來講AR依然受到光學效率、亮度限制，因此顯示的圖像看起來是半透明的，色彩不如移動端AR那麼飽滿。
而對於後一個問題，CREAL認為可以從動態變焦來解決，即根據AR圖像在物理空間的位置來渲染準確的深度或焦距，避免因為人眼焦距和AR焦距產生差異而失真或模糊。
CREAL現有技術對比未來預期
基於HOE的光學模組
本質上來講，HOE類似於一種超薄的膜，它可以嵌入到處方鏡片中，特點是可允許環境中的可見光直接通過，並僅反射投影模組發射的特定光束《僅限於HOE支持的少數色彩》，從而實現AR顯示。
HOE的物理原理相當簡單，而且足夠省電、成本足夠低，集成HOE的鏡片看起來與普通眼鏡片差不多，就像是透明的。
早前，索尼曾展示基於全息光學元件HOE的圓柱形全息顯示屏方案，色彩等效果相當優秀。
CREAL指出，索尼曾開發首個用於AR眼鏡的商用HOE組合器，隨後Intel Vaunt、North Focals也采用了類似的技術。
CREAL指出，Vaunt和Focals方案依然存在一些缺點，比如出瞳區域小，當人眼瞳孔的位置超出AR投影區域時，則看不到數字圖像。
此外，投影模組的光路可能會受到空氣中的灰塵影響，從而產生圖像缺陷《比如灰塵、睫毛的陰影》，幹擾AR圖像的顯示效果。
值得注意的是，Vaunt和Focals對於機械和溫度變化也非常敏感。
光場+HOE方案
從自然變焦方面來看，光場顯示技術更具優勢，它可以讓3D圖解想投影具有逼真的焦深，這是傳統光學組合器難以做到的。
CREAL表示：我們的思路是，HOE的出瞳范圍小，沒有焦深，而衍射光波導隻有固定的焦面，也沒有焦深，光場技術可模擬焦深，但需要大范圍的出瞳。
因此，便在光場組合器基礎上組合HOE元件，通過反射多個小出瞳來組成大的出瞳或眼動范圍。
簡單來講光場HOE組合器既包含了經典HOE的所有優點，還消除了出瞳小的問題，並可以渲染自然的3D焦深，支持屈光調節。
以下是該方案的一些亮點：
- 1》兼容處方鏡片；
- 2》組合器可通過光學和數字方式校正虛擬圖像的偽影、扭曲，將物理環境與AR自然融合；
- 3》可使用傳統工藝制造；
- 4》全息透鏡可反射50%特定波長的光，眼動范圍有限，而且從光源到人眼之間的光學效率約達4%，是現有光波導方案《光效僅0.02%》的100倍；
- 5》可通過眼球追蹤提升光學效率《4-5倍》；
- 6》FOV可擴大，沒有嚴格限制；
- 7》低成本、可定制性高；
- 8》適眼距約為20毫米，更貼合面部；
- 9》色彩均勻度高；
- 10》幾乎沒有彩虹效應或漏光。
衍射光波導組合器
衍射光波導組合器是當下的主流AR光學方案，Vuzix、HoloLens 1&2、Magic Leap 1&2等AR頭顯均采用這種設計。
衍射光波導的原理就像是潛望鏡，微顯示屏將光束攝入光波導一側的輸入口，然後光線會在光波導內反射和傳播，光波導表面的光柵可控制光線的運動路徑，形成多焦點陣列，從而擴大出瞳范圍，這個過程也被稱為瞳孔復制《pupil replication》。
衍射光柵光波導的優勢在於出瞳范圍大，但缺點是透光性弱，存在彩虹色偽影，色彩均勻性不夠理想，以及外部發光等問題，此外光學模組厚度大、成本高，而且FOV有限、光學效率低《光源進入光波導後隻有不到1%進入人眼》。
另外一點，衍射光波導目前不支持自然變焦，像素聚焦的位置為無限遠。
非瞳孔復制模組
1，半反射光學方案：CREAL指出，將物理光和數字光組合的最直接光學方案就是采用半反射鏡，可投射一半環境光，並反射另一半來自顯示屏的光。
簡單來講，就是在玻璃上塗上反光的金屬塗層，而如果將這種半反射鏡做成曲面形狀，便可以將顯示屏光線放大，顯示在與人眼一定距離的位置。
Meta《Meta Vision》、Project North Star就是采用這種光學方案。
上述方案的缺點很明顯，如果透光率高，反射率就低，反之亦然。
2，BirdBath：除此之外，BirdBath也是一種非瞳孔復制組合器，它的結構與曲面半反射鏡類似，但額外加入了平面半反射鏡，配置更加對稱。
相比於基礎的半反射鏡方案，BirdBath可以做的更小，圖像失真也更少。
但BirdBath依然很厚，透光率低，FOV有限。
目前，采用該方案的AR眼鏡包括Nreal、Avegant、ODG、Lightspace等等。
3，全反射組合器：Avegant、Lightspace曾開發基於該方案的AR眼鏡，這種方案的好處是可傳輸具有焦深的圖像。
4，Pin Mirror：LetinAR、Kura采用的『針鏡』光導方案可實現時尚、輕便的AR眼鏡設計，光導指的是一種玻璃材質，它可以將微顯示屏的光線在其內部反射，直到進入特定的傾斜鏡面。
鏡面將光反射到人眼，並透過物理空間的環境光。
Pin Mirror光學模組外觀看起來像是帶有小孔的玻璃，盡管透光率和反射率的權衡仍然存在，但整體結構可以做到很平、很薄。
不過，Pin Mirror的小孔肉眼可見《理論上可以消除》，顯示的圖像看起來部分重疊的色塊，而且由於衍射極限因素，針孔反射鏡的體積如果太小，會限制分辨率。
瞳孔復制模組
相比於非瞳孔復制組合器，Lumus采用了由多個傾斜的半反射鏡面組成的瞳孔復制組合器方案。
這些鏡面可連續反射光源，將光線從表面反射到內部的半反射鏡上，再進入人眼。
Lumus的反射鏡面有不同的角度，可將光線反射到不同的位置。
CREAL認為，Lumus顯示的AR圖像是市面上最好的，除此之外，一些類似的方案還包括Optinvent、Tooz《彎曲版本》，但它們的圖像質量和透光度不夠好。
這種光學方案的缺點是，成本、復雜性、數字圖像較平，而且FOV受限。
其最大FOV由透鏡表面之間的最大反射角決定，而且不能大於玻璃材質的全內反射角度。
總之，提升FOV需要更加復雜、昂貴、笨重的材料，而且提升不大。
值得注意的是，光束重復反射會涉及光學擴展量的問題。
擴展量決定了FOV和出瞳，FOV越大，出瞳越小，但我們希望這兩者都足夠大。
於是，Lumus等公司希望通過瞳孔復制的方式來繞過擴展量的問題，並實現更大的眼動范圍。
帶有衍射或全息光柵的光波導
光波導可像Lumus那樣實現瞳孔復制，其目的相同，但機制不同。
在光波導方案中，光束不是通過傾斜的反射鏡射出，而是通過衍射或全息光柵相互作用而離開光波導。
衍射/全息光柵是一種非常精細的圖案，其與光的相互作用類似於CD/DVD光碟表面。
傳輸光場或全息圖像的光波導
這種光波導組合器可將加密的焦深《或者光場、全息圖像》與光解耦，並保留離開光波導的光的焦深。
目前，相關的技術還很少，隻有VividQ等少數公司在進行投資。
CREAL認為，如果這種光學方案在效率、透光率、分辨率、FOV等方面足夠理想，有可能成為未來的主流AR方案。
參考：CREAL