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浅谈全息波导:智能眼镜市场的王牌技术

北极蚊子 2017-5-8 22:28

本文作者Christopher Grayson是就职于全球知名咨询公司美国格理集团(Gerson Lehrman Group)的AR、VR以及智能眼镜领域的专家和市场分析师。

这篇文章介绍了近眼光学的相关知识,分析了波导技术的发展,同时聚焦于全息波导领域,和其中的佼佼者——DigiLens公司。


近眼光学(Near-eye Optics)的基础知识

大多数人在接触过如Google Glass等产品后,都会对智能眼镜有一个粗略的认识:一个微型显示屏(图示中为LCoS显示屏)被装载在附接到侧面的电子装置中,并且指向单个棱镜,棱镜将光90°折射进佩戴者的右上方的视场角中——图示中展示的是由HiMax生产的组合光学元件,可以容纳LCoS显示器和棱镜光学器件。


现在想象一下,有两个这种90°的棱镜并排摆放着。这种配置可以将图像转动180°。 同时,两个90°棱镜也可以在相同方向上回转。 在波导中,显示器的这种转动是一个很重要的原理。


波导基础知识

波导技术并不是一种全新的科技。波导显示屏使用了和能够实现单向光波沿光纤电缆流动的相同的技术。当你从侧面看光纤电缆时,是看不到的光的,只能在光纤的末端看到一个发光点。波导镜片使用了与单向光波相同的特性来引导光波在镜片或者平面中流动。

一些最基础的波导技术首先由以色列公司Lumus进行商用化。Lumus最近成为了AR眼镜企业Daqri和Atheer的OEM供货商。


谷歌和索尼也都有类似的波导设计的IP。还有一些联合研究项目,如HiMax和Optivent、HiMax和Lumus、HiMax和Essilor之间都有类似的合作。法国的Essilor是世界上最大的镜片生产商,最近和意大利的Luxottica,世界上最大的镜框公司合并了。

表面浮雕波导(Surface relief waveguides)

在一个更为复杂的波导设计中,想象一块棱镜能够被压缩到非常小的体积,并且长度增加了。现在将一些纹路镌刻在镜片的表面。这些微型的纹路就是“表面浮雕”波导。图像被切割成一系列的垂直条纹,由镜片另一端的相应的纹路重新组装,呈现在眼前。

这种表面浮雕波导最先是由诺基亚取得专利并且商用的。


微软HoloLens使用的波导就是诺基亚的设计,但进行了一些改动——微型显示屏被置于了眼镜之上。

诺基亚的这个专利非常重要,因为其能够被大规模生产。除了HoloLens之外,诺基亚还将这种设计授权给了Vuzix,这间公司由英特尔投资,并且和联想一起在中国企业级市场中销售波导产品。

芬兰的Dispelix不仅仅生产表面浮雕波导,还对生产过程进行了非常大的改进。除了在镜片表面镌刻纹路之外,Dispelix还能够将纹路直接打印在镜片上。

Magic Leap

对于这家神秘的公司,我们可以从公司申请的各种专利、做出的投资来更深入了解Magic Leap。

公司的创始人Rony Abovitz此前成功将生产手术用机械臂的MAKO Surgical做上市。MAKO在IPO之后被医疗设备巨头Stryker收购,金额高达16亿美元。鉴于这些成功的创业经历,Abovitz获得了投资人的信赖。再加上Magic Leap释放出的几段神奇的demo,公司得以获得巨额的投资。

Magic Leap试验过多款光学设计方案,试图找出能够被大规模生产的光场显示屏解决方案。光场技术可以制造景深效果,使得焦点内的物体清晰呈现、焦点外的物体变得模糊。对于Magic Leap所追求的娱乐应用领域来说,光场可以让虚拟的内容在渲染后更加真实。

在去年4月,Abovitz登上了《Wired》杂志的封面,手持由公司研发出的“光子晶片(photonic chip)”。所谓的晶片,指的是制造显示屏过程中用到了类似芯片生产的生产方式。


公司在2013-2014年间提交了许多稀奇古怪的光学设计专利,这些设计理论上都行得通,但是现实中却要受限于现有的生产条件。公司提出,可以将用于制造CPU的生产手段用在制造光学显示屏上。就算大家对Magic Leap的这一理论能否成功不再怀疑,公司仍然面临着两大障碍:首先是生产成本。眼镜镜片的大小在制造成本上要比小小的CPU高得多,而且一副眼镜还有两块镜片。这表示,就算Magic Leap的技术成功了,制造镜片的成本将会高达每副眼镜上万美元。,同时也不会像英特尔那样做到CPU的大规模生产。

其次,公司申请的专利中提到,这些镜片的厚度在1-1.5厘米左右。公司瞄准的是消费者市场——就算公司真的能做出产品,并且不计成本,也几乎没有任何的显示屏会在消费者市场中销售厚达一厘米的产品。细节决定成败。

现在看来,Magic Leap再一次回到了设计之初的境地。公司的专利也包括一些表面浮雕波导。这又回到了先前提到过的由Dispelix发明的浮雕打印技术。

去年Magic Leap悄然收购了一件名为Molecular Imprints的公司,其独家技术就是能够进行微型纹路打印,和Dispelix的镜片并没有太大不同。

这种显示屏的迭代很有可能会让Magic Leap能够自主生产轻薄的光场显示屏,同时生产价格不会太高。然而在Dispelix已经成功打印出表面浮雕波导、Avegant已经展示了自己研发的光场显示屏的情况下,Magic Leap的神奇之处已经所剩无几。

全息波导(Holographic Waveguides)

这一名词很容易产生误导。“全息波导”中使用的“全息”不是指佩戴者在其前方看到的图像,而是指透镜内部的光学元件本身就是由纳米级全息图制成。

回想一下你在信用卡上见过的全息图——出现在反光薄膜上的银联或者万事达的全息防伪标志(信用卡全息图背后的反射表面是背光源,全息图本身在前面)。

全息波导采用了相似的方法——在激光的照射下,像镜子一样的、薄膜光聚合物制成的微型纳米级全息光学元件被嵌入到镜片上,代替了传统波导中的棱镜。和之前一样,一个微型显示屏被投影在镜片的一端,全息光学元件折射光线,引导单向光波穿过表面,同时镜片另一端的光学元件将光线折射进眼睛。这种了不起的工程是在棱镜波导中一小部分的厚度的基础上完成的。

位于美国加州的光学技术公司DigiLens在十年之前就已经完善了这一技术,为美国军方打造出了航空电子抬头显示屏。

全息波导光学元件领域在近来也有不少新的企业进入:位于英国的TrueLife Optics和WaveOptics;来自美国科罗拉多州的Akonia Holographics。Akonia此前花费了十年时间和超过1亿美金来研究全息存储技术,但是并未成功。这三家公司看起来都在实验室环境下成功做到了全息波导,设计上和DigiLens在2010年生产出的产品很相似。


所有以上提到过的波导设计仍然是“被动”的镜片。这里的被动指的是镜片本身并没有电子组件,仅仅是被动的接受微型显示屏投射来的光线,再被动的让光线穿越镜片,投射在用户的眼睛里。

主动型全息波导(Active Holographic Waveguides)

DigiLens目前已经研发出了“主动”的全息波导。

DigiLens波导中的全息光学元件采用了基于液晶的薄膜聚合物,这些光学元件在电流的刺激下能够改变状态。


从军用显示屏起家,DigiLens不仅在航空电子领域有所建树,也和航空电子供应商Rockwell Collins合作,为巴西航空工业公司Embraer的飞机打造了仪表盘式波导显示器。DigiLens的首个消费者产品,一款为宝马智能头盔打造的显示屏,即将在今年内发货。

不仅如此,上文所提到的波导都只能应用在一个光滑的表面上。今年早些时候,DigiLens宣布自己的主动型全息波导将可以应用在曲面镜片上,意味着它们的波导也可以用于常规的近视和远视眼镜上。公司在年初获得了来自索尼和富士康的2200万美元投资。

在最近和DigiLens创始人、主席、CEO/CTO Jonathan Waldern博士的访谈中,他透露公司正在研究将层压板应用在镜片的内部,技术上和波导显示屏很相似,但是用一个摄像头替代了微型显示屏,这样一来就可以在同样厚度的镜片上做到眼球追踪。

这种技术一旦成功,就会成为光场技术中新的传奇。就算Magic Leap使用多层波导来做到光场,DigiLens也已经在现有的设计中采用了多层波导——在红色光谱中分离出自己的波导,这一分层位于蓝绿色波导的顶部。此外,DigiLens还使用了层叠波导来扩展视场角(FOV)。公司没有使用分层波导来实现光场的原因在于客户对这种技术没有需求——因此公司更加擅长情景导航数据处理,而不是娱乐领域。

DigiLens是一只沉睡中的独角兽。消费者端可接受的的智能眼镜的形态始于近眼光学也终止于近眼光学,而DigiLens在这一领域中也许领先其他波导OEM厂商不止七年。当然,DigiLens也在为美国军方进行一些机密工作,但这并不妨碍我们知晓美国军方正在使用DigiLens的显示屏来打造钢铁侠那样的抬头显示屏。

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