0
光學(xué)顯示是AR眼鏡最核心的技術(shù)，光波導(dǎo)則是目前巨頭們都在追逐的光學(xué)顯示明星方案。
微軟的HoloLens采用全息光波導(dǎo)的技術(shù)，成為當(dāng)前效果最好的AR眼鏡；
Magic Leap曾憑借自己“吹噓”的光纖掃描光場技術(shù)，融資超過20億美元，不過近來專利顯示其放棄了難以攻破的光纖掃描技術(shù)，轉(zhuǎn)為多層光波導(dǎo)；
Google曾與采用陣列光波導(dǎo)的Lumus洽談收購；
蘋果與廣達電腦合作研發(fā)基于波導(dǎo)AR眼鏡，18年起在全球?qū)ふ夜獠▽?dǎo)供應(yīng)商；
華為內(nèi)部斥資數(shù)十億研發(fā)光波導(dǎo)技術(shù)并在全球?qū)ふ夜獠▽?dǎo)供應(yīng)商。
然而，懂光波導(dǎo)技術(shù)的人卻并不多，不少媒體人、投資人看光波導(dǎo)的項目也是云里霧里。
7月7日，AR光學(xué)顯示技術(shù)提供商靈犀微光召開了一場閉門科技體驗會，CEO鄭昱系統(tǒng)講解了目前AR顯示技術(shù)發(fā)展的情況、光波導(dǎo)技術(shù)能如何促進AR發(fā)展、光波導(dǎo)技術(shù)面臨的幾大難題以及對下一代AR技術(shù)的展望，也介紹了靈犀微光三種最新的AR光波導(dǎo)技術(shù)。雷鋒網(wǎng)在會后對鄭昱進行了專訪，也深入了解了光波導(dǎo)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r。
開場的三分鐘，鄭昱簡單科普了AR顯示的光源系統(tǒng)原理。
在現(xiàn)實生活中，我們的眼睛能看到物體是因為物體的光線被人眼所捕捉到，進入視網(wǎng)膜上，通過晶狀體的聚焦，在視網(wǎng)膜上成像。有時候光線會發(fā)生折射，比如把筷子放進水杯的時候，人眼看到的其實是筷子的虛像，它的位置其實跟實際物體的位置有所偏移。通過光線折射，人眼能捕捉到虛像，這是最主要的AR原理。
以Google Glass為例，其光學(xué)顯示系統(tǒng)主要由投影儀和棱鏡組成。投影儀把圖像投射出來，然后棱鏡將圖像直接反射到人眼視網(wǎng)膜中，與現(xiàn)實圖像相疊加。
但是，這一套系統(tǒng)，存在一個視場角vs體積的天然矛盾。Google Glass有15度的視場角，光學(xué)鏡片10mm厚度；愛普生的AR眼鏡有23度的視場角，13mm厚度；ODG有50度的視場角，超過20mm厚度；而Meta有90度視場角，超過50mm厚度。視場角越大，光學(xué)鏡片就越厚，體積越大。這些AR眼鏡無論采用的是棱鏡或者自由曲面的方案，都是通過對基本AR光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和位置改變，來平衡視場角和體積之間的矛盾，在鄭昱看來，沒有真正的突破。
要解決這一矛盾，同時獲得大的視場角和小的體積，光波導(dǎo)方案是不二之選。那么，光波導(dǎo)如何解決視場角&體積的矛盾？
光波導(dǎo)的定義是：能夠?qū)崿F(xiàn)視場折疊和復(fù)原，并且通過全反射無損傳輸?shù)墓庀到y(tǒng)。
光波導(dǎo)系統(tǒng)包括耦入、波導(dǎo)、耦出三部分。具體的流程是，首先，一個大視角的完整圖片會被切割成若干塊，然后折疊起來形成一個視場細(xì)條，這樣就可以通過很小的光學(xué)鏡片耦入，耦出部分再將切割后的圖片復(fù)原完整。耦入部分其實做的事情就是視場折疊，耦出部分實現(xiàn)的是視場復(fù)原，波導(dǎo)實現(xiàn)光線無損傳輸。
這樣一來，光波導(dǎo)就可以在輕薄的光學(xué)鏡片實現(xiàn)大的視場角。
理論來說，波導(dǎo)可以實現(xiàn)60度或者以上的視場角。我們看到現(xiàn)在HoloLens的視場角為35度，這兩天的消息也透露出Magic Leap的水平視場角為40度。那么，為什么現(xiàn)在主流的產(chǎn)品都是40度左右？鄭昱解釋到，現(xiàn)在光學(xué)材料存在天然的生產(chǎn)限制，致使產(chǎn)品視場角很難從40度到60度。
光波導(dǎo)方案聽起來很美好，但是光波導(dǎo)的生產(chǎn)卻是荊棘叢生。
鄭昱介紹到，目前光波導(dǎo)存在以下三個難點：耦入部分體積難以縮小、光波導(dǎo)固有明暗條紋的問題、光波導(dǎo)采用全新工藝量產(chǎn)難度大。
第一個問題，現(xiàn)在光波導(dǎo)元件80%的重量都在耦入部分，要想縮小整體體積就得縮小耦入部分體積。我們現(xiàn)在看Lumus的眼鏡，耦入部分的體積還是很大，整個眼鏡體積大，佩戴也不美觀離普通眼鏡還差得很遠(yuǎn)。
第二個問題，光波導(dǎo)的明暗條紋問題在很多情況下被認(rèn)為是光波導(dǎo)的理論極限?？催^光波導(dǎo)的人都知道，通過光波導(dǎo)看圖像，相對于其他的比較簡單的方案是有一條條的明暗條紋出現(xiàn)的。因為光波導(dǎo)在耦入和耦出時對圖像進行了切割和復(fù)原，那么圖像就會產(chǎn)生一部分的重疊和分離，重疊的地方會更明亮，分離的地方會更暗淡，就會造成明暗條紋不均勻的現(xiàn)象。
第三個問題是量產(chǎn)問題。很多媒體報道說光波導(dǎo)無法量產(chǎn)，但是其實微軟已經(jīng)做到量產(chǎn)出貨了，去年的數(shù)據(jù)是出貨量已經(jīng)超過6萬。鄭昱談到，“我認(rèn)為，說光波導(dǎo)無法量產(chǎn)，其實是很多傳統(tǒng)廠家在推進光波導(dǎo)的時候，他們覺得困難重重，舉步不前，無法推進，所以他們最終得出的結(jié)論是光波導(dǎo)無法量產(chǎn)?！?/p>
但是實際上，要解決光波導(dǎo)量產(chǎn)的問題有兩個關(guān)鍵因素，第一，要找出決定良品率的關(guān)鍵因素。光源系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，有各種因素會混合在一起，如果最后出現(xiàn)了一個次品，很難發(fā)現(xiàn)是由于什么原因造成的。第二，很多做光波導(dǎo)的廠家，他們都是光學(xué)傳統(tǒng)工藝出身，光波導(dǎo)這個東西雖然跟傳統(tǒng)工藝非常相關(guān)，但是如果不能講出一些新的工藝水平，其實很難解決光波導(dǎo)的問題。
此次閉門分享會，除了科普和行業(yè)分析外，鄭昱也介紹了自家產(chǎn)品的全新動態(tài)。主要包括：光波導(dǎo)顯示模組AW60實現(xiàn)年10萬片量產(chǎn)、新一代光波導(dǎo)顯示模組AW61、推出樹脂波導(dǎo)AWP30。此外，還介紹了靈犀在研發(fā)的AR顯示技術(shù)升級方案“光波導(dǎo)+微芯片光場掃描”，以解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC）這一關(guān)鍵瓶頸。
第一個產(chǎn)品，AW60。
2017年，靈犀微光研發(fā)出光波導(dǎo)方案AW60，采用LCOS 像源，可以做到36° 視場角，1.7mm 鏡片厚度。AW60的突破在于較大程度地縮小了耦入模塊體積，比Lumus的產(chǎn)品耦入模塊在體積上縮小一半。通過對新工藝不斷摸索鉆研，找出了限制良品率的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)AW60穩(wěn)定量產(chǎn)。
第二個產(chǎn)品，AW61。
AW61在AW60基礎(chǔ)上解決了明暗條紋的問題，在對比度和光能利用率上有明顯的提升。
(明暗條紋解決之前）
(明暗條紋解決之后）
雷鋒網(wǎng)編輯在現(xiàn)場體驗了AW60和AW61。Mini-Glass是基于AW60的參考樣機，搭載多種傳感器，支持雙目3D顯示。從體積上看，Mini-Glass已經(jīng)很接近于普通眼鏡，耦入部分稍微還有些體積。Mini-Glass的佩戴感覺還不錯，視場角和HoloLens差不多，畫面有縱深感。但是，AW60鏡片有較為明顯的明暗條紋問題，有些影響畫面。
相比AW61體驗起來，已經(jīng)沒有明暗條紋，但是依然還有一些藍色的薄霧感。鄭昱介紹，靈犀微光在一年時間內(nèi)，決了90%光柵明暗條紋問題。以后則會越來越好，這是一個逐漸追求極限的過程。AW61整體重量不超過23克，也能實現(xiàn)更輕薄的AR眼鏡。
第三個產(chǎn)品，樹脂波導(dǎo)AWP30。
我們的眼鏡一開始采用的是玻璃，然后改變成更輕更抗摔的樹脂。靈犀微光也推出了樹脂材料的光波導(dǎo)AWP30。從體驗上來看，AWP30的視場角明顯更小，然后顯示的圖像色彩和亮度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上AW60和AW61。不過樹脂可以應(yīng)用在運動場景，安全性更強，樹脂的成本也更低。
光波導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理都是一樣，但是由于工藝的不同，也分為不同的種類。在AR領(lǐng)域只有兩類最重要的光波導(dǎo)，一類是衍射光波導(dǎo)（全息光波導(dǎo)），另一類是陣列光波導(dǎo)。做全息光波導(dǎo)的不超過四家，主要是微軟和Waveoptics。陣列光波導(dǎo)以Lumus為代表，靈犀微光采用的也是陣列光波導(dǎo)。
從色彩的一致性上來說，全息光波導(dǎo)比陣列光波導(dǎo)要差很多。在佩戴微軟HoloLens時，如果你快速轉(zhuǎn)動頭部或者你看純白的物體的話會出現(xiàn)彩虹效應(yīng)。全息光波導(dǎo)如果要量產(chǎn)，需要很大規(guī)模資金投入，基本上是10億以上，因此現(xiàn)在除了微軟以外，還沒人能量產(chǎn)全息光波導(dǎo)。
雷鋒網(wǎng)曾發(fā)文分析，Magic Leap目前的光學(xué)方案是多層光波導(dǎo)，相比起全息光波導(dǎo)和陣列光波導(dǎo)，Magic Leap還解決了人眼動態(tài)調(diào)焦的問題。
我們都知道，人眼其實只能捕捉二維，然后因為雙目的視差的原因，能實現(xiàn)一個偽3D的效果。人在看近處物體和遠(yuǎn)處物體時會轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動雙眼，產(chǎn)生視覺輻輳，同時還需要對不同距離的光進行屈光調(diào)解，將光線聚焦到視網(wǎng)膜上才能成清晰的像。
VR和AR都是用左右屏顯示同一物體不同角度拍攝的畫面，來形成3D效果。然而屏幕發(fā)出的光線并沒有深度信息，眼睛的焦點就定在屏幕上，因而眼睛的焦點調(diào)節(jié)與這種縱深感是不匹配的，從而產(chǎn)生視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC現(xiàn)象）。
要想解決這個問題，就要從人眼成像的原理上出發(fā)，讓VR設(shè)備展現(xiàn)的畫面可以有深度信息，也就是光就要從空間立體中的點發(fā)射出來，讓人眼的視覺輻輳和焦點匹配，光不僅要有強度還要有方向，那就是光場顯示技術(shù)。所謂場，就是將光線以場的形式記錄下來，使得最終能夠還原場景任意位置的任意光線信息的一種模式。從效果上講，光場技術(shù)實際上是一種記錄和重現(xiàn)真實而完備的3D場景的過程。
Magic Leap 一開始宣傳他們采用了光纖掃描光場顯示技術(shù)（FSD）、光子光場（通過聚焦/深度平面解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突）、以及被稱為“光場芯片”的衍射波導(dǎo)。官方描述稱：我們的光場光子產(chǎn)生不同深度的數(shù)字光，并與自然光無縫融合，從而將逼真的虛擬物體疊加至真實世界中。
然而，雷鋒網(wǎng)曾發(fā)文分析，Magic Leap最終放棄了難以實現(xiàn)光纖掃描，還是選擇了光波導(dǎo)方案，不過他們采用了多層光波導(dǎo)方案來實現(xiàn)他們承諾的動態(tài)調(diào)焦。
鄭昱介紹到，多層光波導(dǎo)其實現(xiàn)的原理是，系統(tǒng)動態(tài)地去觀察雙眼看到的距離的位置，系統(tǒng)得到距離反饋后，動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的距離，現(xiàn)在Magic Leap通過六層光波導(dǎo)，實現(xiàn)在一米處和三米處兩個距離的深度的像。那么當(dāng)你佩戴AR眼鏡時，你看遠(yuǎn)處和看近處就能獲得不同的深度感知。
然而，靈犀微光高級光學(xué)工程師小康曾向雷鋒網(wǎng)進行過專業(yè)解讀，這是一種偽光場效果，是介于平面顯示和光場顯示之間的一種樸素地實現(xiàn)深度信息的一種方式。并且Magic Leap這種光學(xué)系統(tǒng)成本會特別高，因為如果要實現(xiàn)五個距離，就要十五個波導(dǎo)片，成倍的增長光學(xué)系統(tǒng)的成本以及復(fù)雜性。
光場顯示很難實現(xiàn)，那有沒有其他替代方案呢?
靈犀微光提出了“微芯片掃描光場”，這個方案的原理是：在微芯片光場方案中，會有一個微米級激光束打到視網(wǎng)膜上，通過微芯片控制，直接在視網(wǎng)膜上“畫”出圖像。也就是說，微芯片光場直接避免了會產(chǎn)生VAC現(xiàn)象的晶狀體調(diào)焦過程，無論人眼聚焦位置在何處，圖像的顯示都是清晰的。
在鄭昱看來，這種方案比微軟HoloLens所采用的雙目視差3D方式和Magic Leap采用的多層光波導(dǎo)方式在技術(shù)實現(xiàn)難以程度、計算量、體積、成本等多個方面都有優(yōu)勢。
雷鋒網(wǎng)編輯現(xiàn)場也體驗了這個還處于demo階段的技術(shù)。微芯片掃描光場模組比AW61大兩倍左右。顯示的內(nèi)容是一個視頻，但是都是單色的文字。當(dāng)視線看著幾米之外時，文字成像很清晰，然后當(dāng)把手放在模組前面，眼鏡看著手掌時，文字成像同樣清晰，就像是顯示在了手掌上。
鄭昱表示，微芯片掃描光場主要解決VAC現(xiàn)象，未來還是要搭配光波導(dǎo)技術(shù)。微芯片掃描光場通過激光投影掃描的形式將圖像傳入人眼，現(xiàn)階段已經(jīng)能正常顯示色彩完整圖像，色彩飽和度和還原度都高于市面上其他光學(xué)方案。微光場技術(shù)在文字信息顯示具備優(yōu)勢，顯示效果清晰，加上全焦距清晰成像的特點能夠讓近視的人在不戴眼鏡的情況下也能看清，極度擴大了使用范圍。
目前，微光場技術(shù)已經(jīng)完成原理驗證，還未在器件體積和整體散熱上做優(yōu)化，靈犀微光在后續(xù)迭代升級中也會逐步改進這些問題?？紤]到行業(yè)上下游的發(fā)展進度和狀態(tài)，微光場技術(shù)預(yù)計2019年年中會有更接近產(chǎn)品形態(tài)的原型出現(xiàn)，未來24個月內(nèi)或?qū)⒂瓉砹慨a(chǎn)。
我們看到，巨頭都在布局光波導(dǎo)，這說明這一技術(shù)方案確實有前景。微軟有自己的全息光波導(dǎo)方案，蘋果也在做光波導(dǎo)，那么，靈犀微光等做光學(xué)的創(chuàng)業(yè)公司的市場和機遇在哪里？
鄭昱告訴雷鋒網(wǎng)：“首先，大公司會選用光波導(dǎo)作為AR產(chǎn)品的光學(xué)方案，但是他們不會將每一個核心元器件都自己做。例如，微軟的全息方案是2013年采用被收購的初創(chuàng)公司的核心技術(shù)；蘋果在尋找適合它第一代AR眼鏡產(chǎn)品的光波導(dǎo)供應(yīng)商；Google投資了Magic Leap并曾與以色列光波導(dǎo)技術(shù)企業(yè)Lumus洽談。
其次，光波導(dǎo)技術(shù)壁壘高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，量產(chǎn)難，需要很長時間的技術(shù)深耕和積累。目前世界范圍內(nèi)擁有光波導(dǎo)技術(shù)的公司都在此領(lǐng)域積累了很長時間，例如早在2010年就成立的英國AR公司W(wǎng)aveoptics，以及2012年成立的以色列公司Lumus，都已經(jīng)歷了不短的時間。靈犀微光從2014創(chuàng)立至今用4年時間實現(xiàn)光波導(dǎo)技術(shù)從研發(fā)到生產(chǎn)的全鏈過程，即便已大大縮短了整個過程所用時間，但也需要4年。AR設(shè)備預(yù)期在2021年迎來爆發(fā)，在接下來的2年半時間內(nèi)從頭開始積累難度頗大，這對于巨頭來說進場時間太晚，代價太大。
因此，對于像我們專注在光學(xué)顯示的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)公司來說，有非常大的發(fā)展機會。整個AR市場規(guī)模非常大，無論是科技巨頭，還是在創(chuàng)業(yè)階段的整機或方案公司，都需要有優(yōu)質(zhì)的底層顯示技術(shù)支撐，才能在下一個大的技術(shù)平臺突出重圍?！?/p>
雷鋒網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，雖然巨頭都在布局AR，但是目前AR眼鏡的應(yīng)用場景很受限。很多公司難以找到AR眼鏡真正的利基場景。靈犀微光對其光波導(dǎo)鏡片的實際應(yīng)用場景聊得不多，但是這個問題或許是現(xiàn)在最大的痛點問題。
目前，AR眼鏡主要面向B端市場，在工業(yè)、安防、醫(yī)療等場景有不錯的商業(yè)落地。這些領(lǐng)域?qū)R效果并沒有很高的要求，核心訴求在于如何配合場景解決實際問題。在這方面我們看到光學(xué)顯示技術(shù)不那么強，依然采用棱鏡方案的“亮亮視野”等眼鏡廠商，也能憑借挖掘場景做到大規(guī)模商業(yè)落地。
但是，C端市場不一樣，C端市場對顯示、對體驗的要求極高。雷鋒網(wǎng)曾報道，蘋果將在2020年發(fā)布AR眼鏡，或許又將迎來一個全新的篇章。蘋果專注于C端，且對自己的產(chǎn)品有著極高的要求，不等到時機成熟絕不推出產(chǎn)品。鄭昱也告訴雷鋒網(wǎng)，可以說一旦蘋果AR眼鏡發(fā)布，標(biāo)志著AR行業(yè)將會正式邁向C端市場。
在雷鋒網(wǎng)看來，AR眼鏡在C端市場軟硬件的成熟，或許會是光波導(dǎo)的機遇。當(dāng)然，如果光波導(dǎo)的成本降至足夠低，體積足夠輕，B端市場或許都會從棱鏡、自由曲面等方案轉(zhuǎn)為光波導(dǎo)方案。
相關(guān)文章：
專訪瓏璟光電：AR光波導(dǎo)模組實現(xiàn)量產(chǎn)，將應(yīng)用在更多AR眼鏡
深度 | 宣傳光纖掃描成像多年，Magic Leap最終投入光波導(dǎo)懷抱（最新專利文件詳解）
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
