下一代AR显示方案光波导何以成为巨头们的选择？

2024-09-19上海AR开发专家

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  近日，AR光学显示技术提供商灵犀微光召开了一场闭门科技体验会，CEO郑昱系统讲解了目前AR显示技术发展的情况、光波导技术能如何促进AR发展、光波导技术面临的几大难题以及对下一代
  AR技术
  的展望，也介绍了灵犀微光三种最新的AR光波导技术。沉浸感在会后对郑昱进行了专访，也深入了解了光波导技术的产业发展状况。 
  光学显示是
  AR眼镜
  最核心的技术，光波导则是目前巨头们都在追逐的光学显示明星方案。
  微软的
  HoloLens
  采用全息光波导的技术，成为当前效果最好的AR眼镜；
  Magic Leap
  曾凭借自己“吹嘘”的光纤扫描光场技术，融资超过20亿美元，不过近来专利显示其放弃了难以攻破的光纤扫描技术，转为多层光波导；
  Google曾与采用阵列光波导的Lumus洽谈收购；
  苹果
  与广达电脑合作研发基于波导AR眼镜，18年起在全球寻找光波导供应商；
  华为内部斥资数十亿研发光波导技术并在全球寻找光波导供应商。
  然而，懂光波导技术的人却并不多，不少媒体人、投资人看光波导的项目也是云里雾里。
  光波导何以成为巨头们的选择？
  开场的三分钟，郑昱简单科普了AR显示的光源系统原理。 
  在现实生活中，我们的眼睛能看到物体是因为物体的光线被人眼所捕捉到，进入视网膜上，通过晶状体的聚焦，在视网膜上成像。有时候光线会发生折射，比如把筷子放进水杯的时候，人眼看到的其实是筷子的虚像，它的位置其实跟实际物体的位置有所偏移。通过光线折射，人眼能捕捉到虚像，这是最主要的AR原理
  以Google Glass为例，其光学显示系统主要由投影仪和棱镜组成。投影仪把图像投射出来，然后棱镜将图像直接反射到人眼视网膜中，与现实图像相叠加
  但是，这一套系统，存在一个视场角vs体积的天然矛盾。Google Glass有15度的视场角，光学镜片10mm厚度；爱普生的AR眼镜有23度的视场角，13mm厚度；ODG有50度的视场角，超过20mm厚度；而Meta有90度视场角，超过50mm厚度。视场角越大，光学镜片就越厚，体积越大。这些AR眼镜无论采用的是棱镜或者自由曲面的方案，都是通过对基本AR光学系统结构和位置改变，来平衡视场角和体积之间的矛盾，在郑昱看来，没有真正的突破。
  要解决这一矛盾，同时获得大的视场角和小的体积，光波导方案是不二之选。那么，光波导如何解决视场角&体积的矛盾？
  光波导的定义是：能够实现视场折叠和复原，并且通过全反射无损传输的光系统。
  光波导系统包括耦入、波导、耦出三部分。
  具体的流程是，首先，一个大视角的完整图片会被切割成若干块，然后折叠起来形成一个视场细条，这样就可以通过很小的光学镜片耦入，耦出部分再将切割后的图片复原完整。耦入部分其实做的事情就是视场折叠，耦出部分实现的是视场复原，波导实现光线无损传输。
  这样一来，光波导就可以在轻薄的光学镜片实现大的视场角。
  理论来说，波导可以实现60度或者以上的视场角。我们看到现在HoloLens的视场角为35度，这两天的消息也透露出Magic Leap的水平视场角为40度。
  那么，为什么现在主流的产品都是40度左右？
  郑昱解释到，现在光学材料存在天然的生产限制，致使产品视场角很难从40度到60度。
  光波导面临的难题
  光波导方案听起来很美好，但是光波导的生产却是荆棘丛生。
  郑昱介绍到，目前光波导存在以下三个难点：耦入部分体积难以缩小、光波导固有明暗条纹的问题、光波导采用全新工艺量产难度大。
  第一个问题，现在光波导元件80%的重量都在耦入部分，要想缩小整体体积就得缩小耦入部分体积。我们现在Lumus的眼镜，耦入部分的体积还是很大，整个眼镜体积大，佩戴也不美观离普通眼镜还差得很远。
  第二个问题，光波导的明暗条纹问题在很多情况下被认为是光波导的理论极限。看过光波导的人都知道，通过光波导看图像，相对于其他的比较简单的方案是有一条条的明暗条纹出现的。因为光波导在耦入和耦出时对图像进行了切割和复原，那么图像就会产生一部分的重叠和分离，重叠的地方会更明亮，分离的地方会更暗淡，就会造成明暗条纹不均匀的现象。
  第三个问题是量产问题。很多媒体报道说光波导无法量产，但是其实微软已经做到量产出货了，去年的数据是出货量已经超过6万。郑昱谈到，“我认为，说光波导无法量产，其实是很多传统厂家在推进光波导的时候，他们觉得困难重重，举步不前，无法推进，所以他们最终得出的结论是光波导无法量产。”
  但是实际上，要解决光波导量产的问题有两个关键因素，第一，要找出决定良品率的关键因素。光源系统是一个非常复杂的系统，有各种因素会混合在一起，如果最后出现了一个次品，很难发现是由于什么原因造成的。第二，很多做光波导的厂家，他们都是光学传统工艺出身，光波导这个东西虽然跟传统工艺非常相关，但是如果不能讲出一些新的工艺水平，其实很难解决光波导的问题。
  灵犀微光三大新光波导产品 
  此次闭门分享会，除了科普和行业分析外，郑昱也介绍了自家产品的全新动态。主要包括：光波导显示模组AW60实现年10万片量产、新一代光波导显示模组AW61、推出树脂波导AWP30。此外，还介绍了灵犀在研发的AR显示技术升级方案“光波导+微芯片光场扫描”，以解决视觉辐辏调节冲突（VAC）这一关键瓶颈。
  第一个产品，AW60。
  2017年，灵犀微光研发出光波导方案AW60，采用LCOS 像源，可以做到36° 视场角，1.7mm 镜片厚度。AW60的突破在于较大程度地缩小了耦入模块体积，比Lumus的产品耦入模块在体积上缩小一半。通过对新工艺不断摸索钻研，找出了限制良品率的关键因素，实现AW60稳定量产。
  第二个产品，AW61。
  AW61在AW60基础上解决了明暗条纹的问题，在对比度和光能利用率上有明显的提升。
  (明暗条纹解决之前）
   (明暗条纹解决之后）
  沉浸感编辑在现场体验了AW60和AW61。Mini-Glass是基于AW60的参考样机，搭载多种传感器，支持双目3D显示。从体积上看，Mini-Glass已经很接近于普通眼镜，耦入部分稍微还有些体积。Mini-Glass的佩戴感觉还不错，视场角和HoloLens差不多，画面有纵深感。但是，AW60镜片有较为明显的明暗条纹问题，有些影响画面。
  相比AW61体验起来，已经没有明暗条纹，但是依然还有一些蓝色的薄雾感。郑昱介绍，灵犀微光在一年时间内，决了90%光栅明暗条纹问题。以后则会越来越好，这是一个逐渐追求极限的过程。AW61整体重量不超过23克，也能实现更轻薄的AR眼镜。
  第三个产品，树脂波导AWP30。 
  我们的眼睛一开始采用的是玻璃，然后改变成更轻更抗摔的树脂。灵犀微光也推出了树脂材料的光波导AWP30。从体验上来看，AWP30的视场角明显更小，然后显示的图像色彩和亮度都远远比不上AW60和AW61。不过树脂可以应用在运动场景，安全性更强，树脂的成本也更低。
  下一代AR显示方案 
  光波导系统的基本原理都是一样，但是由于工艺的不同，也分为不同的种类。在AR领域只有两类最重要的光波导，一类是衍射光波导（全息光波导），另一类是阵列光波导。做全息光波导的不超过四家，主要是微软和Waveoptics。阵列光波导以Lumus为代表，灵犀微光采用的也是阵列光波导。
  从色彩的一致性上来说，全息光波导比阵列光波导要差很多。在佩戴微软HoloLens时，如果你快速转动头部或者你看纯白的物体的话会出现彩虹效应。全息光波导如果要量产，需要很大规模资金投入，基本上是10亿以上，因此现在除了微软以外，还没人能量产全息光波导。
  专利显示，Magic Leap目前的光学方案是多层光波导，相比起全息光波导和阵列光波导，Magic Leap还解决了人眼动态调焦的问题。
  我们都知道，人眼其实只能捕捉二维，然后因为双目的视差的原因，能实现一个伪3D的效果。人在看近处物体和远处物体时会转动转动双眼，产生视觉辐辏，同时还需要对不同距离的光进行屈光调解，将光线聚焦到视网膜上才能成清晰的像。
  VR和AR都是用左右屏显示同一物体不同角度拍摄的画面，来形成3D效果。然而屏幕发出的光线并没有深度信息，眼睛的焦点就定在屏幕上，因而眼睛的焦点调节与这种纵深感是不匹配的，从而产生视觉辐辏调节冲突（VAC现象）。
  要想解决这个问题，就要从人眼成像的原理上出发，让VR设备展现的画面可以有深度信息，也就是光就要从空间立体中的点发射出来，让人眼的视觉辐辏和焦点匹配，光不仅要有强度还要有方向，那就是光场显示技术。所谓场，就是将光线以场的形式记录下来，使得最终能够还原场景任意位置的任意光线信息的一种模式。从效果上讲，光场技术实际上是一种记录和重现真实而完备的3D场景的过程。
  Magic Leap 一开始宣传他们采用了光纤扫描光场显示技术（FSD）、光子光场（通过聚焦/深度平面解决视觉辐辏调节冲突）、以及被称为“光场芯片”的衍射波导。官方描述称：我们的光场光子产生不同深度的数字光，并与自然光无缝融合，从而将逼真的虚拟物体叠加至真实世界中。
  Magic Leap最终放弃了难以实现光纤扫描，还是选择了光波导方案，不过他们采用了多层光波导方案来实现他们承诺的动态调焦。
  郑昱介绍到，多层光波导其实现的原理是，系统动态地去观察双眼看到的距离的位置，系统得到距离反馈后，动态地调整系统的距离，现在Magic Leap通过六层光波导，实现在一米处和三米处两个距离的深度的像。那么当你佩戴AR眼镜时，你看远处和看近处就能获得不同的深度感知。
  然而，灵犀微光高级光学工程师小康曾向沉浸感进行过专业解读，这是一种伪光场效果，是介于平面显示和光场显示之间的一种朴素地实现深度信息的一种方式。并且Magic Leap这种光学系统成本会特别高，因为如果要实现五个距离，就要十五个波导片，成倍的增长光学系统的成本以及复杂性。
  光场显示很难实现，那有没有其他替代方案呢?
  灵犀微光提出了“微芯片扫描光场”，这个方案的原理是：在微芯片光场方案中，会有一个微米级激光束打到视网膜上，通过微芯片控制，直接在视网膜上“画”出图像。也就是说，微芯片光场直接避免了会产生VAC现象的晶状体调焦过程，无论人眼聚焦位置在何处，图像的显示都是清晰的。
  在郑昱看来，这种方案比微软HoloLens所采用的双目视差3D方式和Magic Leap采用的多层光波导方式在技术实现难以程度、计算量、体积、成本等多个方面都有优势。
  沉浸感编辑现场也体验了这个还处于demo阶段的技术。微芯片扫描光场模组比AW61大两倍左右。显示的内容是一个视频，但是都是单色的文字。当视线看着几米之外时，文字成像很清晰，然后当把手放在模组前面，眼镜看着手掌时，文字成像同样清晰，就像是显示在了手掌上。
  郑昱表示，微芯片扫描光场主要解决VAC现象，未来还是要搭配光波导技术。微芯片扫描光场通过激光投影扫描的形式将图像传入人眼，现阶段已经能正常显示色彩完整图像，色彩饱和度和还原度都高于市面上其他光学方案。微光场技术在文字信息显示具备优势，显示效果清晰，加上全焦距清晰成像的特点能够让近视的人在不戴眼镜的情况下也能看清，极度扩大了使用范围。
  目前，微光场技术已经完成原理验证，还未在器件体积和整体散热上做优化，灵犀微光在后续迭代升级中也会逐步改进这些问题。考虑到行业上下游的发展进度和状态，微光场技术预计2019年年中会有更接近产品形态的原型出现，未来24个月内或将迎来量产。
  光波导能拯救AR吗？
  我们看到，巨头都在布局光波导，这说明这一技术方案确实有前景。微软有自己的全息光波导方案，苹果也在做光波导，那么，灵犀微光等做光学的创业公司的市场和机遇在哪里？
  郑昱告诉沉浸感：“首先，大公司会选用光波导作为AR产品的光学方案，但是他们不会将每一个核心元器件都自己做。例如，微软的全息方案是2013年采用被收购的初创公司的核心技术；苹果在寻找适合它第一代AR眼镜产品的光波导供应商；Google投资了Magic Leap并曾与以色列光波导技术企业Lumus洽谈。
  其次，光波导技术壁垒高，生产工艺复杂，量产难，需要很长时间的技术深耕和积累。目前世界范围内拥有光波导技术的公司都在此领域积累了很长时间，例如早在2010年就成立的英国
  AR公司
  Waveoptics，以及2012年成立的以色列公司Lumus，都已经历了不短的时间。灵犀微光从2014创立至今用4年时间实现光波导技术从研发到生产的全链过程，即便已大大缩短了整个过程所用时间，但也需要4年。AR设备预期在2021年迎来爆发，在接下来的2年半时间内从头开始积累难度颇大，这对于巨头来说进场时间太晚，代价太大。
  因此，对于像我们专注在光学显示的创新创业公司来说，有非常大的发展机会。整个
  AR市场
  规模非常大，无论是科技巨头，还是在创业阶段的整机或方案公司，都需要有优质的底层显示技术支撑，才能在下一个大的技术平台突出重围。”
  沉浸感发现，虽然巨头都在布局AR，但是目前AR眼镜的应用场景很受限。很多公司难以找到AR眼镜真正的利基场景。灵犀微光对其光波导镜片的实际应用场景聊得不多，但是这个问题或许是现在最大的痛点问题。
  目前，AR眼镜主要面向B端市场，在工业、安防、医疗等场景有不错的商业落地。这些领域对AR效果并没有很高的要求，核心诉求在于如何配合场景解决实际问题。在这方面我们看到光学显示技术不那么强，依然采用棱镜方案的“亮亮视野”等眼镜厂商，也能凭借挖掘场景做到大规模商业落地。
  但是，C端市场不一样，C端市场对显示、对体验的要求极高。沉浸感曾报道，苹果将在2020年发布AR眼镜，或许又将迎来一个全新的篇章。苹果专注于C端，且对自己的产品有着极高的要求，不等到时机成熟绝不推出产品。郑昱也告诉沉浸感，可以说一旦苹果AR眼镜发布，标志着AR行业将会正式迈向C端市场。
  在沉浸感看来，AR眼镜在C端市场软硬件的成熟，或许会是光波导的机遇。当然，如果光波导的成本降至足够低，体积足够轻，B端市场或许都会从棱镜、自由曲面等方案转为光波导方案。