Magic Leap: 光场显示开启AR眼镜的终极未来

2024-05-14上海AR开发专家

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  AR 眼镜 —— 下一代计算平台
  1.1 AR 眼镜——下一代个人计算平台
  我们一向看好 AR 眼镜成为下一代个人计算平台的潜质，在此前的深度报告《IA+AI，新一轮硬件创新即将到来》中，我们提出虚拟显示技术的不断进步，叠加人工智能带来的虚拟个人助理等应用的突破，AR 眼镜有望智能手机之后的下一代个人计算中枢！
  虚拟显示技术的进步解决 AR 眼镜的核心视觉体验——从半反半透镜（Google glass）到曲面光波导（Hololens 等），大大提升了虚拟世界与真实世界的叠加感、视场角也明显提升，但仍然没能解决虚拟世界的真实感，以
  Magic Leap
  为代表的光场显示有望解决这一问题！虚拟个人助理的应用使 AR 眼镜成为个人计算平台——AR 眼镜是比智能手机更加便携、直观、个性化的计算中枢，AR 眼镜可以是用户的虚拟个人助理、互联网的入口、以及控制 IOT 设备的中枢！
  虚拟个人助理的应用受到各个科技大厂的重视，
  苹果
  Siri、Google 语音助手、微软 Cortana、亚马逊 Alexa 等不仅仅是语音识别的工具，更是人工智能打造的助手，进入商业、家庭、汽车等各个场景，例如前段时间热炒的智能音箱——亚马逊 Echo、Google Home，而最大的场景，无疑是用户的身边，这就是 AR 眼镜的价值！
  作为 AR 眼镜的两大驱动力之一，虚拟个人助理走向成熟将为 AR 眼镜加速普及带来福音！
  1.2 AR 显示技术投资愈演愈烈
  今年以来，AR 显示领域的投资愈演愈烈，除了微软自身的 Hololens 之外，Magic leap、Meta、Lumus 等 AR 眼镜和方案公司受到追捧，Google、阿里巴巴、腾讯、盛大以及国内多家上市公司成为主要参投方！
  Magic leap 明年上半年有望发布第一代产品，Meta 刚刚发布 Meta 2 眼镜，Lumus 融资扩大产能，今年下半年开始有望进入 AR 眼镜的高速发展期！
  2. 光场显示，AR 眼镜的终极未来
  2.1 Magic leap 引领光场显示
  在 AR 虚拟显示方案中，我们最为看好 Magic leap 的光场显示技术！尽管获得了 Google、阿里巴巴等十数亿美元融资，但到目前为止，Magic leap 仍以黑科技的面貌呈现在大家眼前！
  Magic leap在2015年3月演示了几个神秘的视频，今年4月又发布了一段新的视频，从Magic leap披露的 demo 中可以感受光场显示的效果（https://www.magicleap.com/#/home）Magic leap 最为著名的 demo 是体育场的鲸鱼，将虚拟世界与真实世界融为一体，另一张手心里的小象的 demo，可以看出近景和远景的分辨——当聚焦近景的时候，远场的花朵变得模糊！
  2.2 光场显示——彻底解决 AR 显示的晕动症问题
  光场显示是模拟四维光场的显示技术，真实再现所有方向的光线信息！
  自由空间中的每条光线包含两个维度的位置信息（x、y）和二维方向信息( θ，φ) ，传统的平面显示（LCD、LED、OLED）相当于四维光线在平面上每个点的积分，只保留了射线穿过屏幕的交点的几何信息和颜色信息，也即（x、y）两个维度，但失去了光线的方向信息，而光场显示可以保留最真实的光线信息（例如不同的光强和颜色），通过模拟整个光场，让人眼得到真实的视觉感受，尤其是在景深这个维度！
  不少人对光场的认识可能从光场相机开始，光场相机技术其实就是通过摄取各个方向的四维光线，从而达到先拍摄后对焦的效果，而光场显示可以认为是光场相机所拍摄的光线的模拟和再现！在空间内任意角度和位置，都能获得真实信息。
  光场显示的真实性，主要体现在两个方面——①使眼球的聚焦距离与双眼的汇聚距离一致，解决晕动症的问题；②人眼可以主动聚焦，聚焦的球面清晰、而该球面以外的距离模糊，符合人眼的观看习惯！理论上与人眼观看真实物体没有区别，是虚拟显示的终极方案！
  人眼可以主动选择对焦 ，观感更真实
  当人眼观看近景的时候，远景是模糊的，反之亦然，而虚拟显示技术往往是投射全幅清晰的画面给双眼，不符合人眼的观看习惯，同时会增加大脑的负担。
  而光场显示对于显示的视野中的每一点生成与其虚拟深度相对应的调节反应。真实再现景深维度的信息，可以做到观看近景的时候，远景模糊，观看远景的时候近景模糊，例如 Magic leap 演示的手心的小象图像，远处的花是模糊的！
  聚焦距离和汇聚距离匹配
  以往的虚拟显示或 3D 显示都是采用双目视差的方式产生 3D 景深效果，事实上相对人眼来说都是投射在固定的焦距（显示屏）上， 人眼的聚焦距离（通过人眼的晶状体调节屈光度，使眼球聚光的焦点准确地落在视网膜上）落在屏幕的位置，而双眼的汇聚距离（双眼汇聚焦点的距离）不断调整，这不符合人眼观看真实物体的习惯，会导致人眼的焦距紊乱，长时间观看 会 产生 眼睛吃力、 眩晕等症状，这是虚拟显示头盔产生“晕动症”的重要原因之一！
  光场显示由于是真实再现光线信息，可以有效解决这一问题，人眼的聚焦距离与双眼的汇聚距离是一致的！
  2.3 光场显示——景深维度的显示革命
  放眼显示技术领域，近年来，显示技术的变革愈演愈烈，尤其是新型硬件形态层出不穷，对显示方案也提出了更多需求，包括高清化、大尺寸、高刷新率、低延迟、柔性化等等，OLED 等新兴显示技术也逐步受到重视！
  而这些创新都还局限于平面显示的维度， 景深维度的创新极为匮乏， 光场显示有望引领景深维度的创新。长期来看，立体显示技术凭借其真实性必定占据更为重要的地位，而 VRAR 等设备，有望成为立体显示的推进因素！（目前光场显示由于计算量过大，更为适用于 AR，而沉浸感需求较强的 VR 显示还需要 OLED 等平面显示技术！）
  3. Magic leap 和光场显示 深入解析
  3.1 Magic leap 主要构成
  从 Magic leap 披露的专利以及与众多行业人士的交流中，我们试图还原 Magic leap 的原理，尤其是从极多迷惑性的专利中抽丝剥茧，
  在 Magic leap 的其中一个专利中，Magic leap 显示一个完整的光场显示 AR 眼镜，包括这么几个部件 —— 光线投影仪、光子光场芯片、宽视野摄像机、人眼追踪系统、GPS 和惯性传感系统、图像姿态处理器、传感器姿态处理器、渲染引擎：
  宽视野摄像机——将用户周围的环境成像，捕获可见光/ 红外光，配合惯性传感器实时计算用户头部姿态，同时根据环境光调节虚拟光场的亮度等
  人眼追踪系统——两个红外 LED、两个微型红外摄像机，追踪用户眼睛，计算用户的视野及双眼聚焦的深度（根据用户眼睛的焦点深度控制投影的焦距），同时也可以支持用户输入
  惯性传感系统、GPS——加速计、陀螺仪、地磁，以 200HZ 左右的高频感知用户位置和姿态，并用传感器姿态处理器分析
  渲染引擎——运行软件程序的硬件，提供用户本地的渲染信息，通过光纤投影模块向用户的眼中成像以用于用户对所述世界的视野。
  光纤投影——将渲染的虚拟现实对象的光以类似于视网膜扫描显示的方式投影，被投影的光束的波面可以是弯曲的或为聚焦的以符合增强和或虚拟现实
  光子光场芯片——对激光扫描赋形的深度光投影模块
  其中图像姿态处理器、传感器姿态处理器、和渲染引擎，可以安装在腰部的模块，与其他组件超宽带的无线通信或有线通信。
  3.2 Magic leap 的光场显示原理
  光子光场芯片是光场显示最核心的部分，今年4月Magic leap创始人Abowitz展示光子光场芯片，这也是 Magic leap 的光子光场芯片唯一一次亮相！
  说是芯片，其实光子光场芯片是一个由多个波导组成的，将光束转变成球面波前的光学部件！模拟真实物体的四维光场，与真实世界相叠加，
  光子光场芯片 ——将 可以被看作是将 2D 为 光场变换为 4D 光场的数学运算器。一个光子光场芯片由12 层 2D 平面波导组成，
  典型的人眼能够分辨大约 12 层深度的径向距离，人眼的近场界限和远场界限分辨为 0.25 米和 3米，对于近景的分辨率较强，能够感觉到非常小的焦距差别，但随着距离越来越远，焦点的层越来越深，对于 3 米以外到无穷远的判断不明显，
  因此 Magic leap 采用 12 层 2D 平面波导，模拟用户眼睛和无限远之间的 12 个焦平面，模拟真实的场景！
  每一层 2D 平面波导可能存在两种实现方式 —— 微反射器阵列和光栅波导！
  首先看 微反射器阵列法，下图是单个平面 2D 波导（前后共计 12 层，每一层对应一个小幅可变的对焦距离，每层厚度不超过 1mm），由上下多个波导管组成，耦合管将输入光锥引入各个波导管（光纤射入的输入光锥可以由两个轴面的耦合管引入，时空复用技术），
  每个波导管的弯曲微反射器阵列——将窄的平面波光束变换为宽的球面波前，将光锥转换为虚拟深度平面，然后从 12 层二维投射的堆叠生成 3D 体积的效果，由于每层平面波导的独特光学属性，不同层次之间互不影响，使 12 层互相堆叠能产生多焦点光学系统！
  具体微反射器阵列的作用——波导中的微反射器有两个定向角φ、θ，使入射光锥中的每一小束平行光以球面波前的形式出射，从而对应各个虚拟深度平面（虚拟点源组成的深度平面），
  在每个单层 2D 平面波导上，每个微反射镜的 2D 定向可能以等效菲涅尔镜的形式排列，球面波前的表面曲率与辐射球的半径成反比例地改变。
  除了微反射镜阵列外， 另一种可能的实现方式 是 波带片衍射光栅
  通过衍射光栅改变光的出射方向，N=-1 光线出射，其他光线继续在波导内部全反射，光栅结构可能类似于菲涅尔波带片。
  把菲涅尔波带片集成到波导内部，根据菲涅尔波带片的特性，出射光反向延伸后可以汇聚在一点，也就是虚拟点源位置，虚拟点源再构成虚拟深度平面，衍射光栅的微结构在纳米级！
  真实世界的处理 —— 正交偏振，遮挡掩膜等
  正交光偏振——采用正交光偏振技术，将来自真实外部世界的光与虚拟显示器的光进行解耦，内部偏振的微反射镜使反射光线具备同向偏振，外表面正交偏振的屏幕可以相对于虚拟显示器的偏振轴来正交地偏振来自真实世界的光，由此允许光线传递经过显示器而不会受到微反射器的影响，如果外表面采用可以控制偏振方向的液晶显示器，还可以调整真实-虚拟对比度
  遮挡掩模 —— 外表面的显示器，通过黑遮光板、遮挡帘、全黑色 LCD 面板模式等等方式，与投射的图像位置对应的位置，用遮挡掩膜遮蔽外部光线， ，防止来自外部光线的干扰，每秒大约 30 -60 帧之间来操作投射装置和遮挡掩模装置，
  透镜补偿——在各层平板 2D 波导间，可以采用弱凹透镜，使每层的射向眼睛的光线进一步发散，因此距离最近的波导层显示最近的焦距层，最远的波导层投射最近的焦距层，在最外层，采用补偿凸透镜，使真实世界的光线回归正常
  3.3 光纤投影系统
  除了光子光场芯片，Magic leap 的另一个核心部件是光纤投影系统。
  Magic Leap 的光纤投影显示，简单原理就是光纤（50um）束在一个 700um 直径管道内高速振动，投射点光源，光纤投射的电源可被成像成衍射限制斑，该衍射限制斑的尺寸由扫描透镜确定。通过将扫描成像到恰好在扫描透镜前面的平面上，可以产生尺寸小于 3 微米的斑。
  改变旋转的方向，然后就可以扫描一个较大的范围。产生圆形显示区域的 250 周紧螺旋，形成一个 1.2mm 左右直径的图像，只要扫描帧率够高，人眼就分辨不出显示器是否旋转显示的。Magicleap 的光纤扫描可允许在大约 60Hz 的帧率下产生相同的分辨率！
  Magic leap 创始成员曾在 2009 年，单光纤的显示效果如下，利用分时技术可以得到一个图像！
  光纤扫描通过使用压电致动器振动光纤端部来操作，同时调制向下传输其芯的光的强度以形成图像。——红绿蓝三色激光被组合进单一波导形成辐射源，该波导向波导的端部传递光，波导端部被压电管致动器沿一个或多轴扫描（例如输入一个正弦驱动信号），一个透镜组件使发射的光聚焦于图像平面，形成螺旋扫描图像。
  光纤扫描模块，驱动电子、光源、和电源都可以被置于远离扫描仪头部本身处，因此不影响头显的重量！
  为了产生更大分辨率的图像，同时保持帧率和像素密度，Magic leap 使用光纤阵列拼接的形式——多个光纤装配到二维阵列中，由扫描光纤显示模块产生的图像可被无缝拼接以形成连续的组合图像，当在拼接阵列图像中来自于每一个单个光纤的扫描图像部分重叠时，扫描场交集将导致增强的亮度的区域，采取消隐重叠像素或调制亮度水平（重叠部分减少 50%亮度）的方式，使亮度基本均匀
  4. 光场相机 —— 光场显示的内容 来源
  4.1 光场相机——记录四维光场的相机
  光场相机的出现比光场显示早很多，通过大量的镜头或微透镜+感光元件的方式，一次性记录光线的位置信息和方向信息（四维光场），可以达到先拍照后对焦的效果！
  光线通过主镜头后，在后面的微透镜阵列平面上对应到两个维度的位置信息，来自不同方向的光线再在感光元件上捕获，得到另两个方向信息，同时也包括光线的强度等其他信息，也就是四维光场信息！再通过后期算法(傅里叶切片定理，光场成像算法)，对光线重新追迹即可完成重聚焦！
  4.2 光场相机将成为光场显示的内容来源
  光场相机已经具备了一定的发展基础，Lytro 是全球最为知名的光场相机公司，成立于 2006 年，目前推出过两款光场显示相机，第二款光场显示相机的微透镜阵列高达 9 万个，感光元件高达 4000万像素，也就是说每个位置可以记录 400 多条光线信息！
  但 Lytro 的光场相机反响不佳， 我们认为主要是因为在平面显示时代四维光场信息未能发挥出应有的价值，主要用于“先拍照后变焦”，看起来并不比 ps 高明多少，但随着光场显示的来临，光场相机将与光场显示互相促进，成为光场显 示的内容来源之一，也正因为光场相机相对成熟的产业化，光场显示也 具备了良好的发展基础！
  5. 建议关注苏大维格、 水晶光电、 奋达科技、 利亚德等
  如前所述，AR 显示方案的进步与虚拟个人助理的应用是 AR 眼镜的两大核心驱动力，而 AR 显示技术又是直接关乎 AR 眼镜的核心体验！随着 Magic leap 光场显示等 AR 方案的临近，光场显示有望成为市场关注的热点，并与 AR 眼一起形成板块效应，而另一个相关的领域光场相机也值得关注！
  相关板块依次为 —— 光场显示、 光学元件& 组件、AR 眼镜、AR 眼镜其他部件、 光场相机
  光场显示：苏大维格(300331，未评级)（纳米级设计与加工）
  光学元件& 组件：水晶光电(002273，买入)、利达光电(002189，未评级)
  AR 眼镜相关 公司：奋达科技(002681，未评级)、歌尔股份(002241，未评级)、欣旺达(300207，未评级)；利亚德(300296，未评级)、京东方 A(000725，未评级) （参股 Meta）、GQY 视讯(300076，未评级)（参股 Meta）
  AR 眼镜其他部件：全志科技(300458，未评级)&北京君正(300223，未评级)（AR 芯片方案商）、中科创达(300496，未评级)（OS 方案商）
  光场相机：欧菲光(002456，买入)（摄像头&透镜组件）、晶方科技(603005，未评级)&华天科技(002185，未评级)（WLCSP 封装感光元件）
  其中建议重点关注的个股为苏大维格、水晶光电、奋达科技、利亚德等
  苏大维格——微纳技术平台型公司，董事长担任中国全息光学实验室主任 10 年，具有相位、振幅信息分离的 3D 显示技术以及多层导光时空复用显示技术，原创四维光场镜片的纳米光刻设备等
  水晶光电——参股 AR 方案商 Lumus，光学元件设计和加工，曾是 Google glass 组件供应商
  奋达科技——AR 及其他相关智能硬件方案商，参股 AR 眼镜公司奥图科技
  利亚德——参股 Magic leap，并围绕虚拟显示一系列其他布局（裸眼小间距 AR 显示系统，虚拟投影、参股 Virtuix 等）
  6. 风险提示
  Magic leap 及其光场显示技术进展有不及预期的风险，预计明年上半年发布第一代产品的时间点也存在推迟的可能。
  AR 眼镜的应用有可能推进缓慢，AR 眼镜需要软硬件和应用的配合，如果应用推进不及预期，对整个产业链都有影响。