增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展

姜玉婷，张 毅，胡跃强，3*，郭晓明，宋 强*，段辉高，3

（1.湖南大学机械与运载工程学院国家高效磨削中心，湖南长沙410082；2.深圳珑璟光电技术有限公司，广东深圳518100；3.湖南大学深圳研究院珑璟光电微纳光学先进制造实验室，广东深圳518100）

1 引 言

近年来，随着计算机科学的迅猛发展，基于近眼显示设备的虚拟现实（Virtual Reality，VR）与增强现实（Augmented Reality，AR）等人机交互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不同，VR近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境，观察者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互；而AR近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中，观察者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互，实现增强现实的目的［1-3］，因此AR相对于VR具有更强的交互能力，在教育［4-6］、医疗［7-8］与军事［9-10］等方面均表现出更具潜力的发展趋势。

目前，大多近眼显示（Near-Eye Display，NED）设备仅仅局限于视觉这一感官上，即将光束引导进观察者的眼中，从而完成虚拟与现实图像的叠加。早期的近眼显示设备以头盔显示器（Head Mounted Display，HMD）为主，首个HMD设备于1968年由Sutherland教授发明［11-12］。根据获得现实图像方法的不同，HMD可分为视频透射式［13-14］和光学透射式。视频透射式HMD方案中，通过摄像机摄取现实图像并与虚拟图像整合叠加，通过显示器以视频的方式呈现在观察者眼前，该方案成本较低，但图像在传输过程中质量的降低与时间的延迟等问题较为严重，很难获得理想的成像效果。光学透射式HMD方案中，外部环境光不经处理直接进入人眼，只需将虚拟图像传输至人眼便可达到叠加虚拟图像与现实图像的目的，该方案相对于视频透射式HMD具有更强的真实性与交互性，因此以往的绝大多数AR近眼显示设备都采用光学透射式HMD。……