AR/VR 光學－精準始於測量

什麼是AR/VR光學？

AR/VR 光學元件是指應用於擴增實境 (AR)、虛擬實境 (VR)和混合實境 (MR) 的專用光學系統， 能夠將數位影像直接呈現於使用者眼前。 這些光學系統銜接近眼顯示器與人類視覺系統，帶來舒適且身歷其境的沉浸式數位體驗。

在虛擬實境光學領域中，其目標是透過投射電腦生成的影像，打造完全沉浸式的虛擬環境，同時遮蔽現實世界。 相較之下， 擴增實境系統則將數位元素（如圖形、文字或 3D 模型）疊加於使用者的現實視野之上。混合實境 (MR)則融合上述兩種方式，讓數位物件能與實體環境進行即時互動。

AR/VR 光學技術所面臨的核心挑戰，在於突破人類視覺的先天限制——眼睛無法對焦於僅數毫米距離內的物體。

為了克服這個問題，AR/VR光學系統精確控制來自近眼顯示器的光線 如何抵達眼睛，讓影像看起來彷彿在數公尺外或甚至無窮遠處，為使用者帶來自然舒適的觀看體驗。 這個過程會產生一個 虛擬影像，讓眼睛得以自然對焦，即便實體顯示器實際上就在距離使用者僅數毫米之處。

為了實現這樣的效果，AR/VR 光學系統透過三種核心光學原理來塑形並引導光線：

• 折射折射是指光線穿過玻璃或塑膠透鏡等介質時產生彎曲的現象。 許多 VR 光學元件採用折射透鏡（如非球面透鏡或菲涅爾透鏡），對內部顯示器的影像進行放大與對焦。
• 反射反射是指光線藉由鏡面或反射面改變行進方向。 在折疊式光學系統中，光線在抵達使用者眼睛之前，會在光學組件內經過多次反射，使頭戴式裝置得以維持輕薄緊湊的外型。
• 繞射：利用奈米級微結構來操控光線的傳播方式。 這項技術廣泛應用於 波導、擴增實境顯示器和全像光學元件，透過微觀圖案將光線精確導引至使用者眼前。

AR/VR光學元件的組成

VR光學系統

VR 頭戴裝置主要透過鏡頭系統放大內部顯示器的影像，並將其呈現於使用者眼前。

• Pancake 光學元件： 此技術廣泛應用於現代高階 VR 裝置。 其採用偏振控制的折疊光路設計，讓光線在透鏡組件內進行多次反射。 此設計大幅縮短顯示器與眼睛之間的距離，使頭戴裝置得以做得更輕薄。 其主要取捨在於光學效率較低，因此通常需要搭配更高亮度的顯示器。
• 菲涅耳透鏡： 菲涅耳透鏡由同心環形凹槽構成，能以輕薄的結構實現與厚透鏡相同的光學效能。 菲涅耳透鏡輕巧且成本低廉，但可能產生視覺瑕疵，例如 『神光』現象，即在高對比物體周圍出現放射狀光暈條紋。
• 非球面透鏡： 非球面透鏡採用複雜曲面設計，可有效降低光學像差，提升整體視野範圍內的影像清晰度。 然而，其體積通常較大，製造成本也相對較高。

AR光學系統

與VR不同，AR光學技術必須在維持透明度的同時，將數位影像與現實世界無縫融合。

• 光學合光器： 光學合光器將數位影像導引至眼睛，同時允許環境光自然穿透， 使虛擬物件得以疊加呈現於現實世界之上。
• 波導： 波導是一種輕薄的光學通道，能將來自微型顯示器的光線導引至使用者眼前。 波導透過 全內反射（TIR）原理運作，使光線在薄玻璃板內經過數十次反射後，再導出至使用者眼前。

請參閱我們的指南，以了解更多關於波導顯示的資訊。

AR/VR光學技術可應用於哪些領域？

隨著光學系統在尺寸、性能和效率上的持續提升，AR/VR光學技術正逐漸成為新世代視覺運算的核心基礎。. 因此， AR/VR 的應用場景正在迅速擴展，相關光學技術已廣泛深入企業與消費市場，並持續延伸至更多元的產業領域。

工業維護與維修： 在工業環境中，配備先進光學技術的 AR 眼鏡能協助技術人員更有效率地執行複雜作業。 數位指示、配線圖或設備資料可 直接疊加顯示於機具上，讓作業人員無需翻閱另行備置的手冊，即可依步驟指引完成操作。 AR 光學技術亦支援 遠端專家協助功能，讓專家得以即時查看技術人員的視野畫面，並直接提供標註說明與操作指引。

物流與倉儲作業AR 光學系統支援倉庫與配送中心進行無須手持裝置的作業流程。 作業人員可 在視野中直接看到導航提示、庫存位置與訂單資訊，有效提升揀貨與包裝作業的效率，同時降低出錯率。

製造與工程：在製造和產品開發領域，AR 和 VR 光學技術使工程師得以直接與3D 數位原型和組裝指引進行互動。 於沉浸式環境中操作。 這些系統廣泛應用於引導式組裝、品質檢驗與協同設計審查，協助團隊在實際生產前預先視覺化呈現產品樣貌。

軍事與國防：先進的AR/VR光學技術廣泛應用於頭盔顯示器（HMD）和抬頭顯示器（HUD）等軍事系統。. 這些光學系統能為士兵與飛行員即時提供導航資料、目標輔助與態勢感知等關鍵資訊，同時讓其視線與注意力保持在周遭環境之上。

消費性電子：消費性電子裝置正積極導入小型化的AR光學系統，以 AI 智慧眼鏡與穿戴式顯示器等形式走入日常生活。. 這些裝置能提供通知、即時翻譯、情境資訊與其他數位服務，同時維持輕巧的外型設計，適合日常配戴使用。

遊戲與娛樂： 虛擬實境至今仍是 AR/VR 光學技術最廣為人知的應用領域之一。 先進的光學系統讓 VR 頭戴裝置得以 為遊戲、虛擬活動和互動式敘事打造沉浸式 3D 環境，帶來更真實、更引人入勝的使用體驗。

醫療與健康照護： AR/VR 光學技術正逐步革新醫療訓練與臨床操作流程。 在手術環境中，AR 顯示器可將 病患資料、影像掃描結果與解剖結構引導， 直接疊加顯示於外科醫師的視野之中。 在教育與訓練領域，VR 系統讓醫療專業人員得以在模擬環境中反覆練習各項操作，再實際應用於臨床診療。

教育與訓練：沉浸式光學技術打造互動式學習體驗 ，讓複雜的概念變得更易於理解與吸收。 學生得以在立體空間中探索科學模型、歷史場景重建或工程模擬情境。 企業亦可透過 VR 系統模擬高風險或高成本的訓練情境，讓員工在安全的環境中有效率地反覆練習各項任務。

汽車產業：AR光學技術正透過擴增實境抬頭顯示器（AR-HUD）逐步整合到現代車輛之中。. 這些系統將導航指引、危險警示與車輛資訊直接投射於駕駛人的路面視野之中，有效提升行車安全並降低分心駕駛的風險。

零售與電子商務：零售業者正積極運用AR光學技術打造虛擬試穿試戴體驗。讓顧客在購買前即可預先體驗眼鏡、服飾或彩妝等商品的實際效果， 有效提升線上購物體驗，降低消費者的購買疑慮。 部分業者也正積極探索 空間零售概念，將數位資訊和虛擬產品與實體店面緊密串連。

高品質 AR/VR 光學元件的關鍵要素為何？

高品質的AR/VR光學元件融合了經典幾何光學、奈米光子學和先進材料技術。 以符合人眼自然感知的方式呈現數位影像。 為達成此目標，設計人員必須審慎權衡各項關鍵光學因素，包括視野範圍、影像清晰度、深度感知線索與色彩表現，同時兼顧硬體條件與人類視覺的限制。

同樣關鍵的是，上述每項因素中都必須透過精確的光學量測加以量化和驗證。. 從角解析度（angular resolution）、MTF 到亮度均勻性、對焦精度與色彩對準，先進的計量技術在驗證 AR/VR 系統是否符合工程規格與使用者舒適度需求方面，扮演著舉足輕重的角色。

視野範圍（FOV）與角解析度（Angular Resolution）

視野範圍（FOV） 是指使用者所能看見的虛擬場景範圍廣度。 在 AR 與 VR 顯示器中，更大的 FOV 能讓數位環境更完整地填滿使用者的視野，大幅提升沉浸感與臨場真實感。

然而，擴大 FOV 也隨之帶來技術上的挑戰。 當相同的顯示解析度分布於更大的 視角範圍時，以每度像素數 (PPD)衡量 的角解析度（angular resolution）便會隨之下降。 較低的 PPD 意味著每度視角所對應的像素數量更少，單個像素因此變得清晰可見，進而產生 『紗窗效應』，降低影像清晰度。

高品質的系統透過注視點渲染（foveated rendering）等技術來解決此問題——該技術將解析度集中於中央視覺區域——並搭配非球面透鏡與 Pancake 光學元件等先進光學設計。 在 AR 系統中，高折射率波導可進一步擴大視野範圍，同時維持影像品質。

眼盒設計與瞳孔擴展

眼盒（eyebox）是指使用者眼睛可在其中自由移動，且仍能感知完整穩定影像的三維空間範圍。 在近眼顯示器中，較小的眼盒會降低對眼球移動的容忍度，當眼睛稍微偏離最佳位置時，往往導致影像部分裁切或視野中斷。

高品質的AR/VR光學元件透過使用瞳孔擴展技術來解決這個問題。將光線複製並擴散至更大的範圍，有效增加使用者的眼球移動容忍度。 在許多 波導系統中，這是透過擴展區域來實現的 ——先將光線分布擴散，再將其導引至使用者眼前。 如此一來，使用者得以更自然地移動眼球，而不會造成影像中斷或消失。

眼盒效能的評估，是在預設的觀看範圍內，針對不同眼球位置下的影像完整性、亮度一致性與視覺穩定性進行全面檢驗。 這些量測結果確保顯示器在實際使用情境下，能提供均勻且穩定可靠的視覺體驗

失真控制與影像品質

在寬廣的視野範圍內維持影像的準確性，是光學設計上的一大核心挑戰。 小型化且不對稱的光學設計往往在邊緣區域產生幾何失真，形成桶形失真或枕形失真等現象。

高品質的系統採用非球面透鏡來改善上述問題，其設計能有效降低光學像差，並維持影像整體的幾何精度。

另一項關鍵指標為調變傳遞函數（MTF），用於量化光學系統在不同空間頻率下的對比度保真程度。 若 MTF 值過低，細部細節將顯得模糊，對比度也會明顯衰退。 高效能 AR/VR 系統通常以每度 20 線對（20 cycles per degree）的 MTF 值達到 0.3 以上為設計目標，以確保足夠的影像銳利度。

失真的評估方式是將顯示的幾何圖形與已知參考圖案進行比對，而影像清晰度則透過 MTF 等基於對比度的銳利度指標加以驗證，確保細節在整個視野範圍內保持清晰銳利。

輻輳調節衝突（VAC）

在自然視覺中，當觀察不同距離的物體時，雙眼會透過兩種機制協同運作。 雙眼 會同時向物體方向聚合（輻輳），同時眼睛的水晶體也會相應調整焦距，此過程稱為調節（accommodation）。

然而在許多 AR/VR 系統中，雙眼可能同時對虛擬物體產生輻輳，卻仍對焦於固定的顯示平面上。 這種不匹配便會產生 輻輳調節衝突（VAC），進而引發眼睛疲勞、不適或暈動感等症狀。 為降低 VAC 的影響，先進系統採用可變焦光學元件、眼動追蹤，或光場與全像顯示等技術，提供更自然的深度感知線索與動態焦距調整能力。

從量測角度而言，VAC 相關效能的評估方式，是透過以屈光度衡量焦距精度，並針對多個模擬深度平面的影像清晰度進行全面檢驗。 此舉有助於驗證系統是否能為人眼提供正確的調節訊號。

色散與色差

許多AR光學系統採用繞射元件，例如表面浮雕光柵（SRG），將光線導引穿越波導。 繞射光學元件的常見限制之一是 光譜色散，即不同顏色的光以略微不同的角度產生偏折。 這可能導致影像出現可見的視覺瑕疵，例如色邊或彩虹紋路等現象。

高品質AR/VR光學元件 採用多種設計方法，以有效降低色彩失真並維持準確的影像重現。 其中一種方法是 採用消色差超透鏡（achromatic metalens），透過精心設計的奈米結構同時控制多個波長的光線，使不同顏色的光能夠聚焦於同一點。 另一種解決方案是採用 多層波導結構，透過獨立的層分別導引紅、綠、藍三色光線，以維持色彩平衡。

透過頻譜與空間量測評估色差效能，量化視野範圍內與波長相關的影像偏移及色彩偏差。 這些評估確保所有色彩通道精確匯聚，以輸出穩定且色彩一致的影像。

如何評估AR/VR的光學效能？

量測近眼顯示器（NED）的光學效能，與評估傳統顯示器有著本質上的差異，AR 與 VR 頭戴裝置皆屬此類。

主要挑戰之一在於眼盒範圍有限，有效的影像品質僅存在於極小的空間區域之內。 在此有限的空間範圍內，即使是些微的位置偏移，也可能對量測結果造成顯著影響。 此外，現代系統通常具備高動態範圍與複雜的光學結構，進一步提高了精確量測的難度。

這些限制要求量測系統具備高度精確的對準能力、嚴格受控的取樣程序，以及能夠可靠捕捉人眼實際感知效能的量測能力。

光學量測的關鍵參數

• 調製傳遞函數（MTF）： MTF 透過量測不同空間頻率下的對比度，評估系統重現細部細節的能力。 在近眼顯示器中，高 MTF 值對於在近距離觀看時維持文字銳利度與影像清晰度至關重要。
• 亮度均勻性： 此參數描述亮度在整個視野範圍內的分布均勻程度。 均勻性不佳可能導致視野中出現明顯的亮區或暗區，降低沉浸感並引發視覺不適。 量測通常在視野範圍內的多個取樣點進行，以量化亮度的變異程度。
• 色彩準確性： 色彩準確性量測顯示色彩與目標值的吻合程度，通常以 ΔE 表示。 在 AR 系統中，準確的色彩重現是將虛擬內容與現實世界無縫融合的關鍵所在。
• 對比度： 對比度定義了顯示器所能呈現的最亮白色與最深黑色之間的差異程度。 高對比度能提升影像的層次感與可讀性，在不同環境光源條件下尤為明顯。

從工程角度而言，這些參數並非單獨評估。 而是透過 整合光學計量系統進行量測，這些系統專為模擬人眼行為而設計，涵蓋瞳孔大小與觀測角度等參數。

量測通常涵蓋整個眼盒範圍，以捕捉效能在空間上的變異情形。 為確保量測的重複性與準確性，需採用高精度定位系統，對受限觀測範圍內的量測位置進行精確控制。

在更進階的量測配置中，亦會採用角度解析量測和波前分析 ，以描述光線如何在波導或自由曲面透鏡等複雜光學元件中傳播的特性。 透過結合上述量測技術，工程師得以驗證光學設計是否同時符合規格目標與實際視覺效能需求。

AR/VR光學技術的未來趨勢與創新發展

AR/VR光學產業正進入快速擴張期。 市場預測顯示，隨著沉浸式技術在消費與企業市場日益普及，該產業規模可望從 2025 年的約 270 億美元，在未來十年內成長至逾 2,090 億美元。

推動此波成長的重要動力之一是AI智慧眼鏡的崛起——這類裝置需要能夠將數位資訊投射於日常眼鏡上的小型化輕量光學系統。 與此同時，企業應用持續提供穩定的市場需求基礎。

隨著應用場景持續擴展，光學技術必須持續演進，以實現更精準的深度感知、更高的亮度，以及更自然的視覺體驗。 以下介紹幾項正在形塑 AR/VR 光學技術未來的重要創新發展：

• 光場顯示器： 光場顯示器旨在重現虛擬物體所發出的真實光線分布。 這使人眼得以更自然地感知深度，並提供正確的調節訊號。 透過解決 輻輳調節衝突（VAC），這類系統有望大幅降低使用者在現有頭戴裝置中所感受到的眼部疲勞。 許多設計採用 微透鏡陣列，將光線投射到不同角度。
• 全像透鏡與3D全像技術： 全像顯示系統利用繞射原理，在極薄的光學結構中生成逼真的三維影像。 目前已有厚度僅數毫米的 眼鏡雛形問世， 能夠將動態 3D 內容疊加於現實世界之上。 這類系統通常採用 全像光學元件（HOE）以高精度導引光線。
• 自適應光學和可變焦光學：自適應光學能根據使用者的注視方向動態調整焦距。變焦顯示器 則透過眼動追蹤改變焦平面深度，使虛擬物件呈現於正確的景深位置。 液態透鏡與可變形反射鏡 等新興技術，能夠快速改變焦距以保持視覺舒適度。
• 超穎光學表面： 超穎光學利用奈米級結構來控制光線的相位與傳播方向。 這些 超穎光學表面有望以單一超薄光學層取代傳統的多元件透鏡組，大幅縮減 AR 與 VR 頭戴裝置的體積與重量。
• 用於AR顯示器的先進材料：新型材料同樣持續拓展 AR 系統的應用潛力。聚合物網絡液晶（PNLC） 技術有助於使數位物件在擴增實境環境中呈現不透明且逼真的視覺效果。 與此同時， 高折射率玻璃基板也正持續開發中，以實現更寬廣的視野範圍與更舒適的穿戴式顯示器。

新興的AR/VR光學技術帶來的量測挑戰

隨著 AR/VR 光學技術朝光場顯示器、全像系統、自適應或可變焦光學、超穎光學及先進可調材料等方向持續演進，其量測需求也遠遠超出傳統顯示器評估的範疇。

亮度與色彩等傳統量測指標固然重要，但僅憑這些已不再足夠。 現代系統可能還需要針對焦距行為、角度光線分布與波前傳播進行完整的特性分析，以確保使用者獲得真實且舒適的視覺感知。

光場與可變焦顯示器需要驗證焦平面與景深相關的調節線索，而全像及波導型系統則往往需要角度解析量測與波前分析，以評估繞射效率、傳播特性與影像穩定性。

超穎光學與超穎表面在次波長尺度下操控光線，進一步提升了量測的複雜度，使高解析度與相位敏感計量的需求應運而生。 與此同時，可調光學材料可能產生多種動態光學狀態，必須在不同操作條件下分別進行特性分析。

此外，光學架構日趨小型化與高度整合，使雜散光、串擾及其他系統級光學瑕疵等問題愈加凸顯，也使模擬人眼的量測條件變得愈發重要。

上述趨勢共同推動了對多維度光學計量的需求，量測範疇不再侷限於強度與色彩，更延伸至角度、景深、相位與時間穩定性。

以光學量測支持 AR/VR 市場的光學技術創新

設計高效能的 AR/VR 光學系統，只是任務的前半段。 後半段則是透過實際驗證，確保每個開發與生產環節，每一台裝置都能穩定達標。 隨著波導持續輕薄化、Pancake 光學元件縮減頭戴裝置的體積，以及超穎光學不斷突破平面結構的極限，光學效能的容錯空間也隨之愈來愈小。 MTF、亮度均勻性或色彩對準上任何一處未被發現的偏差，都可能左右一款產品能否順利出貨。

這正是UPRtek的光學量測解決方案發揮關鍵作用之處：

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