AR光学在AR产业链里目前最有投资看点，坊间也有一些相关AR光学的专题文章，但是普遍来讲，分类过度着重如光路设计，材料等技术，圈外人士难以理解。
本文尝试以产品的外观，成像效果，使用场景和成本等分类，再加以技术细分，让大家更容易明白和记住。本文把AR光学，分成小棱镜类，曲面反射类（大曲面，小曲面），光波导类（反射光波导，蚀刻光栅波导，全息光栅波导），小孔成像等其他类别。
I) 小棱镜类Prism
Google Glass上使用的光学方案。通过投影到带有切割反射面的小棱镜上成像，光的传播路径上，较多采用半透半反平面和球面的反射的方式（称为Birdbath）。也有采用其他镜面做反射的产品，但普遍以棱镜为主。一般视场角约20度，重量约50克。
棱镜的光学部分成本大概只需小几十美金，方案比较成熟，技术门槛低，已经有多家厂家推出过类似产品。由于重量轻，容易布置到普通眼镜上，在很多信息提示的应用场景中被推荐使用，例如公安执法，工业远程协助。因为不会遮挡人眼的视线，有案例指出，工人在工业使用中认为棱镜类方案甚至比微软Hololens2更方便实用。
因为视场角小，小棱镜类方案大概只能成为Apple Watch或小米手环等显示通知的配件，是没可能实现Magic Leap的鲸鱼在体育场跳水的AR效果，和大众对AR的期望有差距。除了个别行业应用，小棱镜类很难会出现消费级的产品。
II) 曲面反射类Surface Reflection
曲面反射类主要利用镜面反射的原理成像，在光传播路径的设计上，可采用Birdbath方式，或投影到镀膜曲面上进行反射（称为离轴反射）等光学方案。但以光路和组合镜的方式来划分对普通读者过于复杂，所以我们只简单分为大曲面与小曲面类。大曲面与小曲面的类别的区分其实并不严格，市场上有一些产品已处于分类的边界。
1. 大曲面类Big Curved
视场角最大（110度）的光学方案，也就是前些年星战AR头显的方案。成本低（小几十美元），技术成熟，良好的成像效果和超大视场角，带来很高的沉浸体验，但体积过大，不便于日常长时间佩戴，但用户可以戴眼镜，市场机会在线下AR游戏，主题乐园，教育和工业培训等。目标市场明显，但技术门槛低。
（如图：眼前一块较大反射镜片或虫眼式镜片，体积一般较大类似头盔，覆盖到额头的位置，整体眼镜向前突出）
2. 小曲面类Small Curved
接近普通眼镜外观的曲面反射眼镜，市场上目前具有高性价比。小曲面类可以有棱镜组合或镀膜反射镜组合，原理基本上与大曲面类似，但是得益于超小的显示器件，垂直高度非常紧凑，集成传感电路后，体积和厚度也可做到太阳眼镜大小。一般地，视场角可以做到30-50度，空心的小曲面模组重量很轻只有约10克。
小自由曲面眼镜成本较低，成像效果优良，体积也适合佩戴。使得在最近的一段时间内，出现了不少采用此方案的新产品上市，看似是未来一两年国内AR产品主流。
不过，小自由曲面依然需要一定的厚度来形成反射镜，所以无法最终做到如同普通眼镜的厚度。还有大多数镜片表面有明显的反射图案，影响佩戴者形象上的亲切感。
小曲面模组一般单个带显示电路的模组价格在200美金左右。
III) 光波导类Waveguide
光波导方案，利用光在玻璃镜片中的全反射原理，可以做到在一块仅为2mm厚度的镜片上传输影像。产品在重量大小和形态上是最接近传统眼镜，长远来说是最有潜力的消费级AR光学方案。
我们将其分为以下三类。
1. 反射光波导Reflective Waveguide
市场上最早出现的近似普通眼镜的AR方案。反射光波导利用投影光在超薄玻璃中全反射，到特定位置反射入眼成像。视场角约30-50度，重量可以到100克以内。
反射光波导早期由于做到接近于日常佩戴眼镜的厚度的观感而受到高度关注。因为全色彩的反射，使得镜片很薄的同时，成像效果清晰，色彩还原度高。
但是以色列厂商LUMUS在此方案上积累了很多的专利，国内外大部分厂家要出口产品的话，目前都很难绕过。而且阵列反射光波导因为本身工艺的复杂（玻璃的切割，镀膜，粘贴，打磨），造成了生产良率较低，很难提高，所以单片光学模组成本较贵。
反射光波导带显示电路的模组价格高达数百美元。
2. 蚀刻光栅波导DOE
目前微软和Magic Leap的AR眼镜方案采用的光学方案。衍射光波导利用投影光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上蚀刻的光栅，发生衍射现象，折射成像。视场角目前大约30-50度，整机重量数百克。
衍射光波导只需要在镜片上蚀刻压印出规律性的纹理，所以可以用很小的面积来成像。也有厂家通过多层镜片的叠加，做出多个焦距的画面。蚀刻的工艺可以采用半导体行业成熟的制造技术，所以大批量生产时良率很高，成本远低于几何光波导方案。半导体工艺与设计的要求，使得技术和资金壁垒很高。
但是光的衍射会造成色散，使得画面成像时需要按照色彩的分布规律重新绘制图案，需要一定的算法设计能力，由于原理上的缺陷，依然会出现色彩与原图案的差别，普遍存在色彩还原度较差的问题，画面出现彩虹效应。
目前带显示电路的衍射波导模组，价格高达数百美元，但长远来讲，量产成本会逐步降低。
3. 全息光栅波导HOE
最接近普通眼镜形态的全彩色AR眼镜，但也是最不成熟的方案。全息光波导利用光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上全息材料的薄膜，反射成像。虽然名称中有全息，但只是利用了全息照相的原理在镜片上制作一层薄膜，并非代表成像效果具有全息景深。一般视场角约30-40度，整机重量可以在100克以内。
全息光波导可以在曲面形状的单层镜片上进行曝光形成全息膜，所以可以生产出最接近传统有曲面的眼镜的AR产品。而且不需要大型的生产设备，成本只依赖玻璃和全息膜，可以做到最便宜的光波导方案。
但是全息镀膜的化学一致性较难控制，而且全彩色时有图像色彩吻合等问题，暂时没有成熟的彩色量产产品。
全彩色的全息波导的光学镜片，价格一般几十美元，甚至有团队宣称未来可以做到接近20美元。
顺便提一下，部分采用全息成像的AR眼镜无需光波导材料作为传播介质，直接反射成像，可称为全息光栅透镜技术。产品轻便度和成像效果与全息波导类产品类似。例如下图的North Focals。
IV) 其他类别
1. 小孔组合镜类Pinhole Mirror
异军突起的高性价比AR方案。利用光波导与带微结构的小孔阵列进行成像。小孔微结构可避免了一般组合镜较复杂的合并工艺，可以在很薄的镜片上实现，而且折射角度可以更大。视场角号称80度，重量可以100克内。
小孔组合镜通过波导材料传输图像到几个小孔中发生反射，完成成像，需要一定的设计能力。生产成本只依赖于镜片与小孔加工的难度和一致性。而且小孔成像的视场角很宽，光线没有散射现象，图像还原度高。
目前根据看过样品的人的反映，需要靠近到镜片很近的位置，才可以看到成像效果，但是画面清晰。
韩国的Letin AR是此领域的领先者，目前市场上还没有量产产品。
此外Vive X第二期的旧金山初创公司Kura AR近期推出了名为Gallium的AR眼镜，其中也采用了Pinhole Mirror类的技术，号称视场角可以做到150度。
2. 视网膜投影
坊间有不同的名字，包括视网膜成像，激光扫描等。
由低功率的激光光源，通过MEMS上的镜片扫描反射，不需要通过角膜和晶状体聚焦，接射入视网膜成像。优点是高亮度（20000nit)，功耗超低，FOV大（70度）。
但利用激光进行视网膜投影遇到的主要挑战是可视范围非常小（注意：可视范围和可视角FOV不是同一个概念），也就是眼球稍微移动后，激光扫描的成像点就会有所偏差 ，无法实现清晰成像。要製造成AR眼镜，需要非常精确和快速的眼球追蹤，甚至要比目前市面上Tobii和七鑫易维还要精确十倍以上才能实现。
因为任何视网膜的损伤，都是不可逆转的，尽管激光的功率多低，直接用激光投到视网膜，都是有一定的风险，最终用户和厂家大概不太愿意承担。
我们曾经在国外亲身体验视网膜成像，和精确的眼球追蹤，光度足以在白天的天空中成像，但产品原型的体积仍然较大，基于保密原因，我们不能透露更多的信息。
如图为日本半导体激光器研发、制造和销售公司QD Laser的RETISSA Display II眼镜。
3. See Through模式
通过VR设备的前置摄像头采集周围环境，再在屏幕中展示合成的图像。优点是FOV很大，技术成熟，虚拟影像可以深度融合现实世界，举个极端例子，你可以把眼前的女生实时换脸，换装，这是之前所说的AR技术都做不到的。
目前主要问题是VR设备比较大，像素相比视网膜还不算高。而且重新合成图像比肉眼观察周围实景有一定的延迟。但未来的VR设备会越来越轻薄高清，延迟的问题也会因算力的提升和5G而解决。See Through也有可能成为未来AR的一个强力选项。
4. 其他组合镜
AR光学依然在发展阶段，下图是 SIGGRAPH 2019 上出现的NVIDIA AR光学方案，融合了棱镜，小曲面，全息HOE等等光学组件。
本文记录相关知识以供笔者学习，更多内容请移步原文。
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