【導(dǎo)讀】本文中我們將介紹近眼光學(xué)（Near-eyeOptics），分析波導(dǎo)的演變，然后再具體到全息光波導(dǎo)。在整個(gè)介紹分析過(guò)程中，我們將研究光波導(dǎo)OEM（原始設(shè)備制造商）市場(chǎng)的參與者，最后將重點(diǎn)放到Sunnyvale的DigiLens上。
本文不是一篇學(xué)術(shù)論文，而是一篇易懂的概述。為讀者提供對(duì)波導(dǎo)市場(chǎng)的基本了解，讓讀者感受到光學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步是如何慢慢改變智能眼鏡市場(chǎng)格局的。
近眼光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)
大多數(shù)熟悉智能眼鏡的人對(duì)GoogleGlass中使用的顯示器都會(huì)有一個(gè)大致的了解，它的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單：眼鏡側(cè)面的電子設(shè)備上裝有一個(gè)微型顯示器（具體的是一款硅基液晶顯示器），該微型顯示器的出光指向一個(gè)90°的轉(zhuǎn)向棱鏡，借此可以將顯示光束投射到眼鏡佩戴者的右上方視野。在這種情況下，微型顯示器和棱鏡元件構(gòu)成了一個(gè)光學(xué)單元，如下圖所示，該光學(xué)組合單元由奇景光電（HiMax，來(lái)自臺(tái)灣的一家光學(xué)部件OEM廠(chǎng)）供應(yīng)。
現(xiàn)在，想象一下兩個(gè)這樣的90°轉(zhuǎn)向棱鏡并排放置，如下圖所示。這樣的棱鏡設(shè)置可以將微型顯示器所顯示圖像旋轉(zhuǎn)180°，也可以轉(zhuǎn)動(dòng)其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)顯示圖像在同樣方向上的左右偏移。這里，我們以最簡(jiǎn)單的形式展示，當(dāng)我們?cè)诠獠▽?dǎo)器件上考慮這一效果時(shí)，這種顯示轉(zhuǎn)向會(huì)是一個(gè)重要的原則。
光波導(dǎo)基礎(chǔ)知識(shí)
光波導(dǎo)本身并不是一項(xiàng)新技術(shù)，基于光波導(dǎo)技術(shù)的顯示器使用相同的技術(shù)制造，它允許單向的光波沿光纖傳播。當(dāng)您從側(cè)面看光纖時(shí)，您無(wú)法看到光線(xiàn)，而只能看到最后傳出的光點(diǎn)。光波導(dǎo)透鏡同樣使用單向光波的這種特性來(lái)引導(dǎo)光波從一端到另一端地通過(guò)透鏡或平面（平面波導(dǎo)）。
LumusOptics（來(lái)自以色列的軍事工業(yè)研究）最先商業(yè)化了一些最基本的光波導(dǎo)，它最近也成為Daqri和Atheer的OEM供應(yīng)商。
谷歌和索尼都擁有與光波導(dǎo)設(shè)計(jì)類(lèi)似的專(zhuān)利。奇景光電和Lumus以及法國(guó)的Optivent公司、Lumus和法國(guó)的Essilor公司聯(lián)合完成了一系列光波導(dǎo)項(xiàng)目的研究。其中，Essilor是世界上最大的鏡片制造商，最近正與全球最大的眼鏡架公司意大利的Luxottica合并。
“表面浮雕”光波導(dǎo)（Surface Relief Waveguides）
對(duì)于更復(fù)雜的光波導(dǎo)設(shè)計(jì)，想象一下上面的棱鏡縮小到非常小的尺寸，然后再被拉長(zhǎng)。現(xiàn)在在鏡頭表面雕刻一系列這些的棱鏡，這些微脊被稱(chēng)為“表面浮雕”光波導(dǎo)。使用這種光波導(dǎo)，微型顯示器所顯示的圖像會(huì)被分割成一系列垂直的條紋，這些包含圖像信息的條紋會(huì)由鏡片另一端（位于眼睛前方）相應(yīng)的一組微脊重新組裝并投向眼睛。
這種“表面浮雕”光波導(dǎo)技術(shù)最早是諾基亞的專(zhuān)利，后來(lái)也由諾基亞商業(yè)化。微軟的HoloLens中使用的光波導(dǎo)就使用了這種設(shè)計(jì)，不過(guò)微軟對(duì)其作了修改，他們將外殼設(shè)計(jì)成直立狀態(tài)，而微型顯示器則設(shè)計(jì)在眼睛上方。
諾基亞的專(zhuān)利很值得注意，因?yàn)樗呀?jīng)被證明是可以規(guī)模化生產(chǎn)的。不僅如此，除了HoloLens之外，諾基亞還將此設(shè)計(jì)授權(quán)給了Vuzix，后者在一家由英特爾投資資助的工廠(chǎng)生產(chǎn)相應(yīng)的光波導(dǎo)，并以和聯(lián)想合作的品牌銷(xiāo)售到中國(guó)企業(yè)市場(chǎng)。
其他公司也受到了這種“表面浮雕”設(shè)計(jì)的啟發(fā)，芬蘭的Dispelix公司不僅生產(chǎn)了“表面浮雕”光波導(dǎo)，而且還為制造工藝做出了重大貢獻(xiàn)。Dispelix表示，除了類(lèi)似于諾基亞（減法制造）的雕刻“表面浮雕”波導(dǎo)之外，還可以通過(guò)添加工藝（加法制造）形成微脊，比如通過(guò)“印刷”的方式將微脊做到鏡頭上。
Magic Leap
對(duì)于Magic Leap這樣一個(gè)秘密的公司，我們可以從他們的專(zhuān)利申請(qǐng)和收購(gòu)中獲得一些信息，比如，他們之前推出產(chǎn)品時(shí)還沒(méi)有確定其實(shí)現(xiàn)愿景的方法。
MagicLeap為了找到一種可以大規(guī)模生產(chǎn)光場(chǎng)顯示器的方法，已經(jīng)嘗試了各種光學(xué)設(shè)計(jì)。光場(chǎng)可以產(chǎn)生景深效果，使處在焦點(diǎn)的對(duì)象看起來(lái)清晰，而非焦點(diǎn)位置的對(duì)象則會(huì)模糊。對(duì)于Magic Leap所追求的娛樂(lè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，光場(chǎng)技術(shù)可以更真實(shí)地呈現(xiàn)虛擬內(nèi)容。
去年4月，Abovitz憑借Magic Leap“光子芯片”登上了Wired雜志的封面。該雜志引述的名稱(chēng)中使用到“芯片”一詞，這也透露了他們用來(lái)制造這種理論性很強(qiáng)的顯示器的制造方法。
MagicLeap于2013 - 2014年期間提交的專(zhuān)利探討了各種奇特的光學(xué)設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)更多是一種“紙上談兵”，其規(guī)格已經(jīng)超出了現(xiàn)有的工藝制造能力。即使現(xiàn)在能夠制造出Magic Leap在其一系列專(zhuān)利中提出的顯示器，他們?nèi)悦媾R兩大阻礙，第一是成本：眼鏡鏡片的面積比現(xiàn)代的CPU 大好幾倍，而一套完整的智能顯示眼鏡更是需要一對(duì)鏡片。這意味著，即使Magic Leap能夠制造出這樣的顯示器，這種顯示器所用的鏡頭制造成本（每對(duì)也會(huì)達(dá)到數(shù)千美元）也會(huì)讓人望而卻步，而且它們也缺乏像英特爾這樣大量生產(chǎn)芯片的公司所享有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。其次，這些專(zhuān)利申請(qǐng)中所涉及的顯示器用鏡片厚度都在1到1.5厘米之間。Magic Leap瞄準(zhǔn)的是消費(fèi)者市場(chǎng)，所以即使他們可以制造出這樣的產(chǎn)品（甚至即使忽視制造成本），這么厚的近眼顯示產(chǎn)品也不能在消費(fèi)市場(chǎng)擁有一席之地。
說(shuō)到這里，Magic Leap似乎又回到了最初的繪圖板階段。他們的專(zhuān)利還包括了一些“表面浮雕”光波導(dǎo)的衍生方案，比如層疊式“表面浮雕”光波導(dǎo)。這又讓我們想到前面Dispelix采用的印刷微脊技術(shù)。
去年，Magic Leap悄然收購(gòu)了一家名為MolecularImprints的公司。與Dispelix相同，該公司的專(zhuān)利技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)微脊印刷。
這種基于印刷技術(shù)的層疊微脊可以很好地為MagicLeap提供一種能夠以薄型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光場(chǎng)顯示的光波導(dǎo)，而且還能將制造成本降低到可承受的范圍。但是Dispelix已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)印刷式“表面浮雕”光波導(dǎo)，而且Avegant更是在最近展示了一款光場(chǎng)顯示器（使用了傳統(tǒng)的分束器技術(shù)），因此。Magic Leap的這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能已經(jīng)失去了很多新穎性。
全息波導(dǎo)
“全息波導(dǎo)”中的“全息”不是指佩戴者在它們前面看到的圖像，而是指鏡頭內(nèi)的光學(xué)器件，它們本身由納米級(jí)全息圖制成。
想想你在信用卡上看到的全息圖。信用卡的反射背襯上黏貼了一張薄膜，這張薄膜上有通過(guò)曝光方式形成的全息圖（信用卡全息圖后面的反射背襯用于為全息圖提供反射式光源）。
對(duì)于全息光波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，它的制造方法和上面的全息圖類(lèi)似 – 通過(guò)激光曝光在薄膜光聚合物內(nèi)形成鏡狀光學(xué)器件的納米級(jí)全息圖，這里的薄膜光聚合物嵌在透鏡內(nèi)，可以取代棱鏡在傳統(tǒng)光波導(dǎo)中的作用。與之前一樣，微型顯示器投射到鏡頭的一端，全息光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)光束方向，引導(dǎo)單向光束通過(guò)表面，另一組結(jié)構(gòu)則進(jìn)一步將這些光束轉(zhuǎn)向眼睛。這種創(chuàng)造性的工程技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的厚度只有原來(lái)棱鏡式光波導(dǎo)方案的幾分之一。
近十年前，DigiLens對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并為美國(guó)軍方（與羅克韋爾柯林斯公司合作）構(gòu)建了航空HUD系統(tǒng)，這些系統(tǒng)目前仍然屬于機(jī)密。
最近有幾個(gè)基于全息光波導(dǎo)技術(shù)的產(chǎn)品：英國(guó)的TruLifeOptics和WaveOptics，以及科羅拉多州的Akonia Holographics。Akonia之前已經(jīng)在這種技術(shù)上花了十年時(shí)間，并且在投資全息存儲(chǔ)時(shí)還損失了1億多美元。這三家公司現(xiàn)在似乎都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下展示過(guò)類(lèi)似于DigiLens 2010年的設(shè)計(jì)。
所有前面提到的光波導(dǎo)設(shè)計(jì)仍然屬于“無(wú)源”透鏡。被動(dòng)的鏡頭本身沒(méi)有電子元件，它們只是接收微型顯示器投射的光，并被動(dòng)地引導(dǎo)光線(xiàn)穿過(guò)鏡頭，轉(zhuǎn)向后最終投射到用戶(hù)的眼睛里。
有源全息波導(dǎo)
DigiLens設(shè)計(jì)出“主動(dòng)式”全息光波導(dǎo)。
通過(guò)使用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens光波導(dǎo)內(nèi)的全息鏡狀光學(xué)器件能夠在用電流激活時(shí)改變狀態(tài)。
從最早用于軍用顯示器開(kāi)始，DigiLens一直扎根在航空電子領(lǐng)域。他們?cè)俅闻c羅克韋爾柯林斯公司合作，開(kāi)始在巴西航空工業(yè)公司的噴氣機(jī)上創(chuàng)建基于光波導(dǎo)技術(shù)的顯示器，這種顯示器安裝在儀表板上。他們的第一款消費(fèi)產(chǎn)品，即寶馬智能頭盔顯示器，將于今年晚些時(shí)候發(fā)售。
此外，前面提到的光波導(dǎo)技術(shù)都被約束在平坦的平面上。今年早些時(shí)候，DigiLens還宣布他們已經(jīng)完善了有源全息波導(dǎo)在曲面鏡片表面的應(yīng)用，這意味著他們可以將這些技術(shù)應(yīng)用到普通的眼鏡上。他們最近剛結(jié)束由索尼和富士康共同領(lǐng)導(dǎo)的一輪2200萬(wàn)美元的融資。
在最近對(duì)DigiLens創(chuàng)始人，董事長(zhǎng)，首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官Jonathan Waldern博士的采訪(fǎng)中，他還透露公司正在研究使用和光波導(dǎo)顯示器類(lèi)似的技術(shù)，將層壓板應(yīng)用于鏡頭內(nèi)部（這里取消的是相機(jī)而不是微顯示器），以類(lèi)似的薄形實(shí)現(xiàn)眼睛跟蹤。
相對(duì)于DigiLens現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這種新的設(shè)計(jì)帶來(lái)的新穎性可能就只剩下光場(chǎng)技術(shù)了。如果說(shuō)Magic Leap正在通過(guò)使用多層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)技術(shù)的話(huà)，DigiLens則已經(jīng)在他們現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中采用了這種多層光波導(dǎo)技術(shù)：將紅色光譜分離并引導(dǎo)進(jìn)入相應(yīng)的光波導(dǎo)，這個(gè)相應(yīng)地光波導(dǎo)在藍(lán)綠色光波導(dǎo)的頂部。此外，DigiLens還采用光波導(dǎo)交疊方案來(lái)擴(kuò)展視場(chǎng)。如果他們還沒(méi)有使用這種分層光波導(dǎo)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)顯示，那是因?yàn)樗麄兊目蛻?hù)還未提出這種需求 - 他們迄今為止一直專(zhuān)注的是文本導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而不是娛樂(lè)。如果付費(fèi)客戶(hù)提出光場(chǎng)顯示的需求，我們可以確定DigiLens一定會(huì)采用現(xiàn)有的分層光波導(dǎo)技術(shù)。
DigiLens是一只沉睡的獨(dú)角獸，它在這個(gè)領(lǐng)域比其他任何光波導(dǎo)OEM先進(jìn)至少七年。雖然DigiLens同美國(guó)軍隊(duì)方面的合作可能仍然屬于機(jī)密，但要知道美國(guó)軍方正在建造什么樣的HUD都還不會(huì)違反安全規(guī)定，他們一直是使用DigiLens的顯示器技術(shù)來(lái)制造這種HUD的。
推薦閱讀：
