增强现实技术（Augmented Reality，AR）的光学原理是实现虚拟信息与现实世界融合的核心基础，其通过精密的光学系统设计，将计算机生成的数字内容（如图像、文字、3D模型等）精准叠加到用户的真实视野中，这一过程涉及光的传播、调制、显示及人眼感知等多个物理层面的协同作用，具体可分为光学显示原理、光学透视原理以及光学感知与校准原理三大模块。
光学显示原理：虚拟内容的生成与投射
AR系统的显示端是虚拟信息的“出口”，其核心任务是将数字信号转化为可见光，并使其能够与真实环境光线共存，目前主流的AR显示技术基于微显示芯片（如Micro-OLED、MicroLED、LCoS等）和光学引擎，通过特定的光路设计将图像投射至人眼。
以主流的近眼显示（Near-Eye Display，NED）技术为例，微显示芯片生成的图像首先经过光学调制，再由透镜组或光波导（Optical Waveguide）进行扩束和准直，最终形成平行光或近似平行光进入人眼，这一过程中，关键的光学元件包括：
- 成像透镜组：负责将微显示芯片的小尺寸图像放大至适合人眼观察的视场角（Field of View，FOV），同时确保图像的清晰度和畸变控制。
- 光波导：在AR眼镜等轻量化设备中，光波导通过全内反射（Total Internal Reflection，TIR）原理，将显示模组生成的光线在透明介质（如玻璃或树脂）中多次反射并耦合至人眼瞳孔，既避免了传统透镜的 bulky 体积，又实现了大角度的光线扩散，衍射光波导利用光栅结构将光线分束，反射光波导则通过反射面实现光路折叠，两者均需严格控制光栅周期、刻蚀深度等参数，以减少光能损失和杂散光干扰。
为了解决虚拟内容与现实环境的亮度匹配问题,AR显示系统需具备高亮度（gt;1000 cd/m²）和高对比度特性，同时通过动态调节背光或环境光传感器，确保数字信息在不同光照条件下均清晰可见。
光学透视原理：虚实光线的融合与叠加
AR的核心目标是让用户“看到”叠加在现实场景中的虚拟内容，这需要光学系统既能透射真实环境光，又能高效反射或投射虚拟图像，实现两者的无缝融合，根据虚实光线融合方式的不同，光学透视原理可分为光学透视式（Optical See-Through，OST）和视频透视式（Video See-Through，VST）两大类。
光学透视式（OST）
OST系统通过半反半透镜（Beam Splitter）或部分反射镜（Partial Reflector）直接将虚拟图像与现实场景光线合并，其光路设计为：真实环境光线透过半反半透镜进入人眼，而微显示设备生成的虚拟图像则经反射后进入同一光路，最终两者在人眼视网膜上叠加。
- 优势：延迟低、真实场景无畸变，适用于需要高精度的场景（如工业维修、医疗导航）。
- 挑战：需精确匹配虚拟图像的亮度、色温与真实环境，且半反半透镜的光能损失（通常50%以上）会导致真实场景亮度降低，需通过高亮度显示模组补偿。
视频透视式（VST）
VST系统通过摄像头捕捉真实场景图像,经计算机处理后与虚拟内容合成，最终将合成后的图像显示在近眼显示屏上，其光路本质是“先拍摄后显示”，虚实融合在数字域完成。
- 优势：灵活调节虚拟内容的透明度、颜色及叠加位置，且可通过图像处理算法增强真实场景（如边缘检测、光照补偿）。
- 挑战：存在摄像头延迟与显示延迟的叠加问题（通常需<20ms以避免眩晕），且需解决摄像头与显示屏之间的视差（Parallax）问题，避免虚拟内容与现实物体位置错位。
下表对比了两种透视技术的核心差异：
| 特性 | 光学透视式（OST） | 视频透视式（VST） |
|---|---|---|
| 虚实融合方式 | 光学直接叠加 | 数字域合成后显示 |
| 延迟 | 极低（仅光学传播延迟） | 较高（摄像头+处理+显示延迟） |
| 真实场景保真度 | 无畸变、高分辨率 | 依赖摄像头分辨率，可能存在畸变 |
| 环境适应性 | 受半反半透镜透光率限制，暗环境性能下降 | 可通过算法增强暗光场景，适应性更强 |
| 典型应用 | 工业维修、医疗导航 | 消费级AR游戏、社交娱乐 |
光学感知与校准原理：虚实对齐的关键
AR的“沉浸感”依赖于虚拟内容与现实物体的精准对齐，这需要光学系统实时感知用户头部姿态、环境空间位置及眼球运动，并通过动态调整光路参数实现“虚实同步”。
- 头部姿态追踪：通过惯性测量单元（IMU，包含加速度计、陀螺仪）和视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技术，实时获取用户头部的位置和朝向数据，驱动虚拟视角同步更新，光学层面，需确保显示光路的光轴与头部姿态变化保持一致，避免因视轴偏移导致的图像漂移。
- 眼动追踪：通过红外摄像头和近红外光源照射眼球，捕捉瞳孔和角膜反射点，计算视线方向，这不仅用于交互（如虚拟按钮点击），还能动态调节AR显示的“聚焦深度”（通过可变焦透镜或光场显示技术），解决人眼调节与集合冲突（Vergence-Accommodation Conflict）导致的视觉疲劳问题。
- 空间校准：通过环境深度传感器（如LiDAR、结构光或ToF相机）获取场景三维点云数据，结合视觉算法识别平面（如地面、桌面）或物体轮廓，为虚拟内容提供“锚点”，确保其稳定附着在真实物体表面。
相关问答FAQs
Q1：AR眼镜的光波导技术为什么能实现轻薄设计？与传统透镜有何区别？
A：光波导利用全内反射原理，将显示模组生成的光线约束在透明介质（如玻璃基片）内部，通过入射光栅（In-coupler）将光线耦合进波导，再经过反射光栅（Out-coupler）多次分束并定向输出至人眼，这一过程中，光线在波导内传播路径较长，但无需传统透镜的复杂曲面堆叠，因此大幅减小了设备厚度，传统透镜则需要直接对图像进行放大和准直，体积与焦距成正比，难以满足近眼显示的轻量化需求。
Q2：光学透视式AR（OST）如何解决半反半透镜导致的亮度损失问题？
A：主要通过两种方式优化：一是采用高透光率的半反半透镜（如透过率>80%的介质膜片），但这会降低虚拟图像的亮度，需搭配高亮度微显示芯片（如MicroLED，亮度可达10000 cd/m²以上）；二是使用偏振分光技术，通过偏振片分离环境光与虚拟图像的偏振态，减少光能交叉损失，例如环境光为垂直偏振，虚拟图像为水平偏振，两者在半反半透镜处互不干扰，从而提升整体光效。
