一文看懂 HoloLens,Magic Leap…详解AR光学技术产业链

2017-05-11 11:53 智能硬件 来源:创头条 查看原文

编者按:本文来自微信公众号“青亭网”(ID:qingtinwang),36氪经授权发布。

各个VR(虚拟现实)眼镜使用的成像原理大同小异,而AR(增强现实)眼镜其实五花八门:微软HoloLens、谷歌眼镜、腾讯投资的Meta、阿里投资的以色列巨头Lumus、Magic Leap,美国军方的合作企业Vuzix,还有富士康和索尼的宠儿DigiLens…每家都有自己的绝活儿。

本文将介绍一种近眼光学技术,分析波导技术的革命,然后将要讲的领域具体放在全息波导上。

我们会仔细审视波导OEM市场中的各大组织,包括HoloLens、谷歌眼镜、Magic Leap、DigiLens等等。

这篇文章并非以纯学术形式展现,而是更加平易近人,让读者对波导市场有个基准判断和解读,以及了解光学技术的尖端领域如何重塑智能眼镜市场。


近眼光学基础技术

大部分对智能眼镜略知一二的人们主要是从谷歌眼镜的显示方式了解到的。

这个实现原理比较基础,也简单粗暴:一个微型显示器(这里用的是LCoS)边上是各种电子器械,正对着一个棱镜,把光学设备转过90度,将显示器发出的光反射到用户右上方视角场,从而实现虚拟图像的叠加。这就是所谓的棱镜解决方案——在本例中,这个包括了LCoS显示器和棱镜光学系统的整个光学部件是由HiMax(奇景光电)生产的(台湾的一家光学OEM)。

现在想象一下:两个这种90度反射棱镜对齐放置。在这种设置下就能把图像发射光线旋转180度,感觉就像潜望镜一样。当然也可以用两块棱镜让图像光线以原方向继续出射。下列图片是最简单的形式。而想要继续深入了解波导技术,就必须清楚这种显示方向扭转的原理。

波导技术基础

波导技术即传播光线的技术。从某种意义上讲,波导技术并非是什么新鲜玩意,与让光线沿线传导的光纤技术原理一样。

当你从一段观察光纤的时候,你看不到光,只是有一个小光点。波导管用了同样的定向光波导元件,把光线导入一根管或者一个平面(平面波导),从一端导到另一端(看不懂没关系,看下图。光线从显示源射出,通过波导元件射入眼镜)。

这一领域最基本的波导最初是由以色列军方出身的光学公司Lumus(阿里巴巴、HTC等投资)进行商业化的。最近,这家公司也成为著名工业AR头盔厂商Daqri和Atheer的供货方。

谷歌和索尼公司都有原理上类似的波导技术知识产权。而奇景光电和法国Optivent合作成功做出了一串互相链接的波导管;而且奇景光电和Lumus,Lumus和Essilor也合作成功做出了这个项目。Essilor是全球最大的导管生产商,最近与全球最大的眼画面厂商,意大利公司Luxottica合并。


HoloLens的AR显示方案,最初居然是诺基亚的?

平面出射波导板:

这个比之前提到的波导结构更加复杂一些,想象棱镜缩减到非常微小的尺寸,然后延展开。现在将很多这样的小元件放到透镜表面。这些微小表面就形成了所谓“平面出射”的波导部分。图像会被分割为一系列的垂直区域,然后用另一端同样的波导部分出射并整合成原图像,展示在眼球前。(下图)

表面出射波导技术是诺基亚公司申请专利,并最先完成商业化的。

而微软的HoloLens中所用到的波导技术,实际上是诺基亚公司的设计方案,想不到吧?微软不过是把设置改为光线扭转到右上方,在眼球上方安装微显示器。

诺基亚公司的专利引起了广泛的关注,因为它有潜力进行大规模生产。不仅如此,除了HoloLens之外,诺基亚还将这一设计方案授权给了和美国军方有颇深关系的Vuzix公司。

这家公司在英特尔投资的一家工厂中进行了这款波导元件的生产,然后以与联想合作品牌的名义在中国B端市场进行销售。可以看出诺基亚公司的设计方案不仅能大规模生产,还能扩展生产合作关系。

更多的公司也受此鼓舞,加入到了表面出射设计生产的行列中去。

芬兰公司Dispelix不仅生产表面出射的波导,还为生产过程的改进做出了杰出的贡献。Dispelix公司不仅制造了类似于诺基亚公司的表面出射元件,还为生产过程添加了新技术:在元件表面“打印”微型波导管。 


MagicLeap怎么玩?

Magic Leap从来都是闷声发大财的,故而我们想要了解他们的工作就得去查看他们的专利申请和收购记录,也就是说他们从不会讲清他们实现计划的具体方案。

创立者罗尼·阿伯维茨(Rony Abovitz)此前曾公开了MAKO Surgical,一款外科机械手臂平台。MAKO平台后来被Stryker以16.5亿美元收购,这是一家医疗设备巨头(市场价值500亿美元)。

如今投资团体们都对Abovitz非常信任。我们猜再加上那个出色的实验室演示项目(在适当的环境下),他能筹集到相当巨额的资金。

Magic Leap测试了多种多样的光学设计,期待能找到一个合适的光场显示,还要能大规模生产。光场能实现景深的效果,让焦点处的物体清晰可见,而其他的物体看起来更模糊。对于这种Magic Leap公司正在追求的娱乐应用来说,光场技术能够实现虚拟内容更加真实的渲染效果。

在去年四月份,Abovitz空降《连线》杂志封面,文章报道了一种“光子光场芯片”。“芯片”这种称谓也暗指了他们的一种理论显示技术。


2013年到2014年间申请的专利探索了各种各样的外接光学设计,但都是纸上谈兵,在实际生产中收到了各种各样的限制。

理论上将CPU的生产技术应用到这些显示设备上来就有可能完成生产了。要说对Magic Leap的研发效果还有什么怀疑的地方的话,还是有两大障碍等着这家公司的——

第一,成本:一款眼镜波导管比现代CPU大好几倍…而且一台设备需要两个。这意味着就算Magic Leap公司研发成功,最后一台设备两个镜片造价都要好几千美元,他们还没有像英特尔那样大规模生产这么昂贵设备的能力。眼睛的造价可能会很高。

第二,厚度:专利文件中可以发现波导片的厚度在1厘米到1.5厘米之间。Magic Leap正在针对消费者市场进行开发——就算他们能做出产品,就算他们还能绕开生产高成本——就算最好的显示设备,厚达1厘米的外观因素也不会让消费者买账。细节之处定成败。

如今看来,Magic Leap公司重新回炉打造了。这家公司的专利还包括了各种层叠的表面出射波导元件。这让我们回想起Dispelix公司之前提到的微结构打印技术。

去年Magic Leap公司悄悄收购了一家叫分子印刷的公司(Molecular Imprints),其技术就是能够打印微型结构,与Dispelix公司的元件生产技术很类似。

这种显示技术的开发周期有可能让Magic Leap开发出了波导技术,能在轻薄设计下创造光场显示,而且生产成本合适。但是Dispelix公司已经着手打印表面出射波导元件了,而Avegant最近也演示了光场显示(用更精细的激光分割技术),Magic Leap恐怕机会不多了。


全息图像波导技术

这个名字有可能产生误解。“全息图像波导技术”提到的“全息图像”并不是指用户在眼前看到的图像,而是元件中原本的光学组件,这些本身就是由纳米级全息图构成的。

考虑一下你在信用卡上看过的全息图像。这种全息图像放在薄板上,通过反射进行查看(信用卡卡背后的反射面是为了背光显示的,而全息图本身其实在正面)。

对于全息图像波导技术而言,采用了类似的一项技术——一个多面光学薄板用激光曝光处理,从而印上显微镜级别纳米尺寸的全息图像,也就是元件中隐藏的镜子一样的光学元件,借此替换掉了更加传统的波导技术中棱镜的地位。

就跟以往一样,微型显示器投射到波导的一段,然后全息光学器件扭转光的位置,将单向光波导到表面,然后另一组全息光学组件逆转这个过程,把复原的图像射入眼前。这一出色的工程设计所占空间只有原本棱镜的薄薄一层。

最近获得索尼、富士康等投资的DigiLens在近十年前就改进了这一技术,为美国军方设计了空军HUD系统(与Rockwell Collins合作),目前该技术仍属机密。

全息波导光学元件行业如今又迎来了诸多新成员:英国的TruLife光学和Wave光学公司,以及最近的科罗纳多州的Akonia全息图像公司。

Akonia公司之前花了十年时间,耗资1亿美元研发全息图像存储技术,并未成功。这三家公司目前都在实验室环境下进行演示,设计方案与2010年的DigiLens的工作颇为相似。

从那时候起,DigiLens就不断创新。

之前提到的所有波导设计都还属于“被动式”波导。元件中都是被动触发机制,也没有电子组件,他们只是接受了微显示器投射出来的光,被动地把光纤移过元件,然后扭转方向,投射到用户的眼镜里面去。


沉睡的独角兽DigiLens,比其他波导OEM领先七年?

DigiLens现在有了“主动式”的全息图像波导技术。

这一技术使用的是一片基于薄薄的聚合物的液体水晶,DigiLens波导中类似全息镜面的光学元件,能够在被电流激活时转换状态。

如下图,光线从源显示屏上射出,分别走红色和蓝绿色波导。最后经过多层电流转换全息光学元件(厚度仅1微米),再射出到眼睛里。

DigiLens此前是靠军方显示技术发家,现在航空电子设备行业站稳了脚跟,然后转移阵地到了巴西航空公司的喷气式飞机采用的头戴波导显示设备,然后由于Rockwell Collins合作。他们第一款消费者级别产品是一个为宝马制造的显示器,将于今年晚些时候发售。

除此之外,前述的波导技术都是平面设计,表面出射的。在今年早些时候DigiLens同样宣布了他们完善了他们的主动式全息波导技术的应用,应用于曲面元件的表明,这意味着他们能够适应眼球佩戴。他们最近刚接受了一轮由索尼和富士康提供的2200万美元的投资。

在最近一次对DigiLens创始人、主席、CEO/CTO,Jonathan Waldern的采访中,他表示他们正在研发为元件内置层叠式技术,采用波导显示中类似的技术,不过是通过摄像头而不是微显示器来完成眼球追踪功能,同时大小也差不多。

DigiLens这样留下来的光学技术空间只有光场还可以再研究研究了。但是如果说,Magic Leap公司正在利用多层波导技术实现光场效果的话,DigiLens早就把多层波导技术投入现在的产品设计里了——将红色光谱放到自己的波导元件里,上面加上蓝色和绿色的波导。

除此之外,DigiLens采用了层叠式波导元件来扩大视场角。如果他们还没有用到他们的层叠式波导元件来实现光场显示技术,是因为他们的客户要求并没有要求这一点——他们因此在导航数据方面非常专业,而不是娱乐领域。如果有客户愿意出钱搞光场,估计他们也能用现有的波导层叠技术搞得来。

DigiLens可谓是一头沉睡的雄狮。在消费者可接受的外型因素下成功研发智能眼镜,靠近眼光学起步发家,如今的DigiLens公司可能要比起其他波导领域的OEM要领先个起码七年。

虽然DigiLens为美国军方开发的项目还列属机密,但是并不需要黑客技术就能知道美国军方想造的就是像钢铁侠那样的HUD系统了,而他们靠的就是DigiLens公司的显示技术。

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