【小箘学VR】全息波导,智能眼镜的技术命脉

2017-05-08 21:05 VR/AR 来源:创头条 查看原文

【小箘学VR】全息波导,智能眼镜的技术命脉


读者能够获得什么?


本文并不是专家学者的专业著作,主要还是集中在对波导方案总揽性的讲解方面,VR之家认为文章可以让读者对波导市场有一个基础性的了解,并了解此类光学器件的变革以及它们对智能眼镜市场的重要性。


近眼光学器件基础介绍


说道智能眼镜产品,谷歌在2012年发布的Google Glass可以说是其中的典型代表,当时它可以说是非常先进的产品,但现在来看其实是一款非常基本的设备:侧面有一块微型显示器(硅基液晶(LCoS)),然后有一个棱镜可以将显示器光线弯曲90度到我们眼睛的右上方,这是一个二合一光学单元,同时包括了硅基液晶和棱镜,由HiMax提供(一家台湾光学器件OEM)。


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现在我们来想像一下有两块这样的棱镜并列放置。根据棱镜放置的方向,有两种不同的组合:一种与入射光线方向相反,另一种则相同(位置发生改变)。我们可以从图片中直观地看到它们,然后,接下来就可以谈谈波导了。


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波导基础介绍


首先,波导技术虽然听起来高大上,但它并不是什么新兴技术。波导显示装置的原理从本质上跟光在光纤中传播并没有什么区别。我们知道光只会从光纤的一端传导到另一端,不会从侧面出来(全反射)。波导镜片同样使用了这样的原理,只不过它的形状和光纤不同。


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源自以色列国防工业研究所的Lumus光学可以说是第一家提供波导产品的公司(比较原始),这家公司现在还成为了Daqri和Atheer的OEM供应商。


同时,谷歌和索尼也具备类似的波导产品设计专利,HiMax和法国的Optivent,HiMax和Lumus,Lumus和法国的Essilor公司都展开了相关的合作研究项目。目前,Essilor可以说是世界最大的透镜生产商,他们最近和意大利Luxottica进行合并。


表面浮雕波导


下面介绍更为复杂的波导设计,想象一下将棱镜压缩到非常细小的尺度同时横向拉长。现在将这些纹路雕刻到镜片的表面。这些微型纹路也就是所谓的“表面浮雕波导”了。这里的关键就是“切割”出一系列垂直条纹,通过适当的排列将光线引导至眼前的镜片区域。


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此类波导装置最初是由诺基亚注册申请专利并成功商业化的。


事实上,微软HoloLens使用的波导装置就由诺基亚设计,当然进行了一些改动,例如显示屏放置在眼睛上方。


诺基亚的专利显得尤为重要,因为它支持大规模生产。并且,除了HoloLens,诺基亚还还将这个设计授权给了Vuzix,这家公司量产波导元件的工厂获得了Intel的投资,并和联想一起在中国企业级市场进行销售。所以说诺基亚的技术并不仅仅能够进行大规模量产,同时还可以调整量产规模。


其他厂商也受到了这种表面浮雕波导设计的启发。


芬兰的Dispelix公司不仅生产这种表面波导设备,同时他们还对这一量产过程作出重要改进。因为他们不仅可以将“微型凹槽”刻在镜片上,还能通过“打印”的方法将它们制作到棱镜上。


Magic Leap


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Magic Leap是一家神秘的公司,我们到目前为止都没有关于他们产品的具体消息,但可以从他们申请的专利和企业并购了解一些消息。


其创始人Rony Abovitz此前曾开办了MAKO Surgical,一家生产手术用机械臂的公司。MAKO之后则被医疗器械巨头Stryker公司收购。由于他的这些成功经历,Rony获得了投资者的信赖。尽管公司只放出了一些效果惊艳的Demo,但他们仍然获得了大量投资。


据称,Magic Leap试验了非常多种光学显示方案,想要寻找到最适合大规模量产可靠的光场显示的方法。光场显示能够最大限度模拟自然视觉,人们可以自行聚焦观看远近不同物体,如果使用Magic Leap装置观看娱乐内容,我们能够看到最接近自然物品的虚拟影像。


去年四月Abovitz通过著名的《连线》杂志向外界展示他的所谓的“光子晶片”,它之所以号称晶片是因为其制造时采用的方法类似芯片制造。


2013-2014年申请的专利显示一系列特殊的光学镜片设计,它们理论上行得通,但如果考虑量产就有很多问题了。理论上他们可以应用制造CPU使用的技术来量产这个元件。当然,即使我们不再怀疑这种装置量产在技术上的可行性,他们仍然要面对其他问题,首先就是成本:假如量产“光子晶片”的成本类似CPU,由于晶片面积数倍于普通芯片,其价格也非常之高...更不用说一副眼镜需要搭载两块“光子晶片”。这意味着这种产品的成本超过数千美元,根本不是普通消费者买得起的,也无法像Intel那样获得明显的规模效应(降低成本)。这样一款产品定价将达到奢侈品的等级。


然后是专利书暗示这种镜片厚度将会超过1cm,要知道Magic Leap的目标是消费市场,即使他们成功量产,即使他们成功降低成本,消费者也不大可能会选这样一种厚度的眼镜,对于头戴产品来说,这种细节非常重要。


目前来看,Magic Leap似乎改变了他们的策略。他们的专利书还同时描述了其他类型的技术,例如表面波导,然后我们就重新回到之前Dispelix所开发的那种印刷式技术。


去年,Magic Leap悄悄收购了一家叫做Molecular Imprints的公司,其专利技术就是用来打印微型凹槽的。


这种显示屏技术的迭代很有可能会让MagicLeap能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,MagicLeap的神奇之处已经所剩无几。


全息波导


这个名字带有一定的误导性。虽然这个名字里带有全息二字,但其实全息波导并不会直接在用户周围产生全息影像,它指的是透镜内部的光学元件本身就能产生纳米级全息图。


类似我们在信用卡上看见的全息防伪图,这种全息图投射到一个超薄的薄膜上,背面则是反光片。


全息波导使用超薄的感光聚合物薄膜代替传统的波导镜片中的棱镜,在激光的照射下,纳米级全息图就显示在镜片中。和此前的波导装置类似,我们在镜片的一端放置微型显示器,全息镜片将影像传导到镜片的另一端,然后进入用户的眼睛。这种装置的厚度明显比采用棱镜的波导镜片要薄很多。


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


全息波导领域现在也有不少代表公司:来自英国的TruLife Optics和WaveOptics;来自美国科罗拉多州的AkoniaHolographics。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。


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上面提及的所有波导镜片都属于“被动式”镜片。被动式指的是所有这些镜片都不包含电子元件,它们只是接收来自微型显示器的图像然后被动地将它们转移并投射到用户眼睛里。


主动式全息波导


DigiLens公司已经开发了“主动式”全息波导技术。


通过使用一种基于液晶材料的薄膜聚合物,他们的全息波导镜片可以通过电流改变状态。


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DigiLens从军用显示器起家,然后进入航空电子领域,最后开发了用于战斗机飞行员的波导头戴显示器,并配合罗克韦尔柯林斯航电系统使用。他们的首款消费级产品将会在今年晚些时候出货,是为宝马设计的智能头盔。


更进一步,上面提及的波导装置都采用了平面设计,而今年早些时候DigiLens宣布他们成功将自家的主动式波导技术应用到了曲面镜片上,这意味着理论上他们可以直接使用普通镜片作为波导装置。


在最近的一次采访中,公司创始人、主席、CEO/CTO Jonathan Waldern博士表示他们正在尝试这项技术的逆向应用,采用摄像头代替微型显示器,实现超薄眼镜的眼球追踪功能。


在目前DigiLens已经能够提供的产品中,也只缺乏光场显示了,而即使Magic Leap现在通过多层波导技术实现了光场显示,DigiLens实际上已经开始在现有产品中实验多层波导——将红光波谱独立于现有的波导,在蓝绿波导上另外添加了独立的一层。DigiLens通过层叠波导进一步扩展了设备的视场角。这意味着他们不使用这种技术实现光场显示仅仅是因为他们的客户并没有这样的需求——因为目前的目标客户主要用来进行信息显示,而不是娱乐。如果有客户对光场显示感兴趣,相信他们也不是无法提供相应的产品。


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所以说,DigiLens是一个潜在的独角兽公司。消费者可接受的智能眼镜设备将始于近眼光学器件也终止于近眼光学器件,而在这方面DigiLens预计比他们的竞争对手领先七年时间。虽然我们不可能知道DigiLens和美国军方的合作细节,但我们知道如果美军正在开发类似钢铁侠那种头显装置,那肯定使用的是来自DigiLens的波导光学元件。

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