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靈犀微光鄭昱:陣列光波導,推動AR眼鏡三年內走向消費市場的技術

2022-07-01

來源:網絡

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元宇宙產業的發展,正在將各種前沿領域技術匯集到一起,構建出下一代互聯網的新形態。 正如互聯網的準入級終端


元宇宙產業的發展,正在將各種前沿領域技術匯集到一起,構建出下一代互聯網的新形態。

正如互聯網的準入級終端是PC,移動互聯網的準入級終端是手機,那么下一代互聯網,準入級終端或許就將是VR和AR設備。

VR終端或將承載深度元宇宙的交互,而AR終端的普及或將讓元宇宙技術走向千家萬戶。

AR設備,盡管外形看來極度接近于普通眼鏡,但其核心的光學顯示部分,也就是光學模組,讓它成為最有希望叩開元宇宙大門的“低門檻”終端。

圍繞AR產業趨勢、元宇宙等熱點話題,靈犀微光CEO鄭昱在「量子位·視點」直播中分享了他的從業經驗和觀點。



以下根據分享內容進行整理:


談談AR眼鏡及其背后的技術發展


最近“元宇宙”的概念炒得很火,而元宇宙就包含了AR/VR的概念。AR/VR其實對于我們而言并不陌生。從2012年Facebook收購Oculus開始,其實AR/VR的概念已經家喻戶曉了,2016年可以說是VR的元年。轉眼AR,經過這么多時間的發展,我們期望AR未來能夠替代我們的手機成為下一代移動終端,但這件事情貌似現在還沒有發生。

那么很多人就會問,究竟什么時候它能夠爆發呢?AR/VR究竟什么時候能夠像我們的手機一樣,每個普通人都能用?我想說面對美好的未來,現實還是比較殘酷的?,F有的AR/VR設備,整體上還面臨著體積比較龐大,體驗有待提升,同時售價也相對比較高等諸多問題,這種設備對于準入型終端而言門檻比較高,所以在C端市場還需要一段的時間能夠爆發。

在這段時間內需要突破的點有很多,其中非常重要的一點就是如何把它的硬件做得更加小型化,更加便宜,能夠非常低門檻地讓大家能夠進入元宇宙世界,這是我覺得未來非常關鍵的一點。


靈犀微光輕薄AR參考機型:阿拉丁Zero


盤點目前市面上TO C的VR/AR產品,可以看到現在主流設備的一些情況:Quest2賣了1500萬臺左右,截止到現在應該是歷史上VR設備銷量最高的一款產品;經歷了兩代產品迭代的HoloLens,是微軟售賣的標桿性AR產品,但是售價高得離譜;同時還有另外一款產品Magic Leap One,也就是我們上圖的左上角的形象。

無論這些眼鏡什么樣,大家發現很顯然有一個特點,它們不是真正的眼鏡,而是一個非常笨重的頭戴式顯示器,一個頭環形狀的設計,其實廣大消費者很難接受這種AR設備的形態。

那么,很多人就要問:為什么他們現在要做成這個樣子,不做成那種輕便的眼鏡?我認為主要原因有兩個:

一個原因是從顯示模組端看,如何顯示一個比較大視場角的高分辨率圖像。所謂大視場角就是畫面很大,高分辨率就是顯示很清晰、色彩對比度很強的畫面,這依然是一個在物理極限上的難點,現有的技術來看,要實現一個這樣的大畫面、高分辨率,同時又要小體積的光學器件,難度還非常高。

第二個原因就是算法、算力層。計算機世界中永遠存在算力跟算法之間的博弈關系,要想實現AR的效果,比如像我們想象當中的那樣,我們能夠與虛擬人物虛擬地開會,這些都需要強大的算力,那么這個算力背后支撐它的就是芯片的高性能,然而高性能芯片又同時帶來的一定是高功耗與巨大的體積占據。

在這個方面,現有的AR/VR設備還很難去平衡,但迭代速度也很快,我覺得可能還需要3-5年的時間。那么在這個過程當中,AR設備會走兩個方向,一個方向是選擇更小的體積,犧牲一些算力和畫面尺寸,做到極致輕薄。

這些輕量級的AR眼鏡,可以實現信息提醒、導航文字提醒、簡單翻譯這樣的功能。例如最近Google在發布會上公布了一款AR眼鏡的原型,非常輕量級,就像普通眼鏡一樣,內部置入了谷歌翻譯的功能,可能還有一些其他的比如說HUD導航這樣的功能,這個就是所謂的“輕量級AR眼鏡”。

同期,我們可以看到國內OPPO也在去年發布了這樣的產品,但那款Air Glass是一個單綠色顯示的一個產品,當然售價也不是也不菲。那么無論國內國外大家都在探索的一個方向,就是有沒有可能在這種功能簡單輕量級AR設備上完成一個消費級、廣泛接受的產品形態,這也是我們所為之努力的。


第二個方向就是體積更大一些,但是畫面更大,功能更強悍,有一個相對完整的AR甚至MR功能的AR眼鏡或者叫AR頭盔或者頭顯,那么微軟走的就是這個方向。

這類混合現實終端,在算力和形態妥協下,實現了十分驚艷的圖像、交互效果,你可以帶著頭顯,看到手中出現虛擬小動物,或者虛擬場景與真實世界相融合,它們的運動、力學和場景反饋都是基于強大的算力,實現與真實環境融為一體的。在這個方向上,我認為微軟和Magic Leap One做了很多的工作,也突破了很多技術難題。

其實這個方向也是比較有意思的,我們也有對應的產品布局。但是這個方向產品高昂的售價、純TO B場景的定位和頭顯形態等等問題,使得我們很難在真正的生活中廣泛地使用它。我個人認為,至今為止還沒有解決上述全部問題的標桿性產品出現。


AR光學發展史和AR光波導技術剖析


我們從產品回到光學,為什么說現在階段無法實現一個集小型化和大畫面、高分辨率為一體的AR產品,這其中一個核心,也是非常重要的驅動因素就是光學模組。

大家知道AR/VR在硬件層面上跟手機有非常大的區別,其中最重要的區別就是它把原來我們手機的屏幕換成了鏡片,以實現原來在手機上能看到的畫面,并且我們可以通過眼鏡看到立體的、具有空間維度的畫面呈現。這個效果是通過一個特殊的AR光學系統實現的。

AR的光學系統肯定要跟我們的顯示屏不一樣。首先,它要能夠讓我看到一個“虛”的形象。第二,它也不能遮擋正常的光線進來。既要符合這兩個要求,同時又要做小體積,其實難度很高。

歷史上有很多的方案,比如說我們最早的離軸光學。離軸光學最實際的使用就是在軍工領域,我們經??吹斤w行員佩戴一個大頭盔,戴上以后,他就可以看到一些儀表盤的信息,同時也能看到外界的信息,這就是最早的AR頭盔。

隨著技術的發展,我們出現了體積更小一些的棱鏡方案即谷歌眼鏡的這種方案。這種光學系統外觀看起來就是一個立方體的棱鏡塊,把它放到用戶眼前,其中有一個半反半透膜和反半透的涂層,使得外界的光能夠進入用戶眼睛,同時也能把想要呈現的光線打入眼睛當中,從而形成一個疊加效應。

這類棱鏡光學方案,依然擺脫不了體積或者叫光學口徑跟它的成像的圖案的視場角之間的一個正比例關系(GoogleGlass的視場角僅有15°)。

原則上來說,圖像越大體積越大,在光波導方案上面得到了比較好的解決。光波導方案能夠把一個大的圖像,通過一個小的輕薄鏡片最終投到眼前,畫面大小與鏡片體積之間的正相關關系在光波導系統下能夠實現較好的平衡關系。理想狀態下,光波導傳輸系統可以使用很輕薄的、跟眼鏡片一樣的薄片就能實現在3米距離觀看近百寸投影畫面的觀感。

極致輕薄下的畫面呈現,是光波導相對于離軸光學、棱鏡成像以及自由曲面的本質區別,其中的核心在于光波導具備對微顯示畫面的拆分重新組合和放大作用,我們可以把它稱之為擴瞳系統。



正如圖中所對應的,擴瞳系統簡單來說是將微顯示器的偶入部分通過光路傳輸到經過特殊工藝打造的陣列區,也就是我們所說的波導傳輸部分,這個過程使得整體的光系統能得到畫幅擴展并最終耦入到人眼。

研究領域,光波導技術路線在1990-2001年開始得到廣泛討論,但當時受限于工藝的不成熟以及電子器件小型化的困難,所以沒有大規模廣泛地落地使用。

但是自2015年以來,集成電路得到飛躍式發展。在移動終端的發展進程中,電子器件越做越小,芯片集成化越做越高。所以在電子部分能夠縮小以后,AR的光學模組邁向輕薄化光波導時代的重要性越來越顯現出來。

那么在光波導路線上,根據它的制造工藝和設計理念的不同,還可以繼續細分。目前而言有三個方向——幾何陣列光波導、浮雕光柵和體全息。那么在這樣的一個光波導發展的大路線上,究竟誰是未來?

這個問題目前還沒有一個標準答案,就像在蘋果iPhone出現之前,智能機就有很多種形態,關于智能機的屏幕選擇上,是使用電阻式屏幕還是多點觸控電容式屏幕,在業內一直是一個疑問。其實各個廠家都在各自追尋正確路線的答案。

所以在標桿性的產品中,所有人都在猜最終會是哪一個,這是一個對技術方向的賭注,也是科技公司對于產品和技術認知的比拼,包括Meta、Apple、Microsoft、Snapchat在內,各個公司都有各自的解決方案和不同的理解。無論是國外的公司、國內的公司、創業公司或是大公司,目前的光學方案并沒有標準化。

那么在這幾種技術路線上,我這里簡單做一個效果上的比較。

從現在的結果來看,幾何陣列光波導是占比較大的優勢。主要體現在這幾點:

首先是光能利用率高。光能利用率指的是一份光從顯示光源中打出來,最終鏡片上有多少光能夠被接收到并且進入眼睛里。光波導模組的光能利用率越高,同樣光源下到達到用戶眼睛里的光線,所需要的能量越少,功耗就越節約,這是一個非常重要的指標。

典型的產品,比如說微軟HoloLens使用了表面浮雕光柵來制作顯示系統,它需要把外界的光擋住一部分才能入射到人眼當中。這個設計的背后原因是它使用的表面浮雕光衫的光能利用率比較低,本身虛擬畫面的光線不是很強,所以外界的光線進來的時候要擋掉一部分,否則我們就無法看到虛擬的圖像。

那么在這個指標上,幾何陣列光波導占比較大的優勢。由于它使用這種陣列反射鏡,而表面浮雕光柵受限于多極衍射原理,它的顏色除了在我們想要的光線處顯像,從其他方面也會有這種色散現象。這會造成一個非常重要的問題,我們叫正面漏光,就是光源除了投到我們眼睛里面以外,同時也在往外投。

如果從外面能看到光源傳輸的光線,就意味著你也會發現有一個圖像在鏡片外側顯像,這對于個人隱私的保護和佩戴者的綜合體驗而言都不是個好消息。

其次,陣列光波導相較浮雕光柵在色散問題上解決得更加徹底。也就是說當看一幅純白畫面時,整個畫面是呈現完全均勻的白色,還是每個畫面中有些是偏紅色,有些是偏藍的。這種色彩均勻性把控不到位的光學系統成像,對于觀感的影響很大,試想你在看電視的時候如果色彩還原存在嚴重問題,這幾乎是無法令消費者接受的。

顏色不均勻現象,在表面浮雕光柵方案里依然是比較嚴重的,這是由于使用了衍射光柵這種對光波長比較敏感的器件,或者說對光譜有較強選擇性的光學器件來做它的耦入或耦出系統,導致最終會呈現這種現象。

接著,是視場角和體積的把控。這是光波導系統通性的優點,但其在陣列光波導上的體現會更加淋漓盡致。例如,靈犀微光即將推出的視場角達到60度的模組產品,光波導基于全反射期間的光學顯示,相較其他方案折射率更高。光波導鏡片折射率越高,能夠在光波導中能夠傳輸而不逃逸的光線就會越少,這樣的話視場角就會越大。

最后,是輕薄度上的優勢。從厚度來看,光波導相較其他方案就呈現出天然優勢:表面浮雕光柵通常需要單片顯示單色,因此RGB的全彩顯示需要多片波導片疊加,其厚度會更厚;幾何陣列光波導和體全息可以達到單片彩色的顯示方案,這令其形態更趨近于普通眼鏡片,甚至可以更薄。


輕薄型AR眼鏡或將成為元宇宙準入級終端


那么基于上面的內容,很多人還會繼續問我另外的問題:在陣列光波導、浮雕光柵和體全息發展的最終,這些方案是否可以隨著迭代逐步解決問題,哪個方案又最可能在未來結合進AR眼鏡使之能夠承擔元宇宙終端入口的角色呢?

從現在的角度來看,比如在表面浮雕光柵方案中的偏色問題,本質上是受限于物理特性本身的。我只能說,從諾基亞發布第一個關于表面浮雕光柵來制作光波導器件這樣原理性專利開始,至今已經過去20年了,這個問題并沒有看到明顯的改善。

此外,這20年中浮雕光柵其實也沒有比較好的量產方案,或者說比較好的、從量產和設計上都比較優秀的方案來解決這種問題。未來20年有沒有可能解決這些問題?我覺得有可能,但希望渺茫。

包括微軟,作為AR產業龍頭企業,從2014年發布了HoloLens1,今天的HoloLens2,一直以來并沒有很好地解決上述問題。

此外還有光能利用率問題,目前表面浮雕光柵和體全息方案在光能利用率低這件事情上一直沒有較好的解決方法。

從光源層面分析,為什么Micro LED會被關注到,就是因為其本質上要比現在的Micro OLED對的亮度高100倍以上。對于浮雕光柵的方案,其光能利用率缺點就會得到局部緩解,但色散問題可能反而會更加嚴重。況且,Micro LED目前并未實現量產,高光能利用率下續航、散熱問題如何很好地在集成眼鏡時解決也還在探索過程中。

Micro LED的成熟還需要3-5年的時間,尤其是彩色的,這也是為什么國內OPPO的AR眼鏡選擇了單綠色。Micro LED的道路依然還很漫長,那么具體的我就不再細講了。



關于技術實現這塊,浮雕光柵還存在眾多尚待解決的難點:比如透光率,靈犀微光的陣列光導方案就可以做成很透明,Magic Leap One看起來有黑黑的遮罩,因為必須要把外面的光遮掉一部分;比如顏色不均勻性,在純白畫面上,色彩呈現并不是絕對一致的;還比如極限清晰度,可以直觀地看到被上述問題所綜合影響。

從成本和可量產性來看,目前行業上眾說紛紜,在各大新聞媒體上,每個人都有自己的觀點。但是從我的角度來說,這一塊的發展在這5年內會有比較大的進步。

就像特斯拉的電池最開始也被認為造不出來,蘋果的高精度電容式觸控屏剛開始也是有很大的量產困難。所以我覺得可量產性取決于思路發展有多快?,F在看來,這兩年內,靈犀微光作為國內的光波導廠商,在陣列光波導方案上已經獲得了實質性成果。隨著成本的繼續下降和良率不斷提升,我們在2018年就實現了85%良率的大批量產。

那么按照未來成本下降的空間,我覺得成本能夠降到50美元左右甚至更低的,再往下降的話,可能就存在一些需要突破的困難。

長期來看,在三種方案中,如果假設顯示效果一致或顯示效果接近的話,體全息能夠做到的成本是最低的,因為它是主要采用曝光技術進行生產,簡單來說,有點像我們做激光刻蝕類似的激光設備的工作原理,效率更高。體全息是目前我們長線投入的布局方向,也是國際大廠紛紛押注的核心技術。體全息通過兩束激光來做相干干涉,然后曝光在一種材料上,只要這些條件都穩定,它可以又快又高效得做出成型鏡片,同時穩定性也相對好。

但是理想很豐滿,現實很骨感,我認為現在體全息整個行業仍處在一個極度早期的發展階段。前期它的固定資產投入會比較大,而且中間也有一些工藝轉印中遇到的誤差問題待解決,此外壓印所需要的模板也會遇到耗損。這個方向有提升空間,但是現在還是有難度。

就目前而言,體全息技術成熟度正穩步發展。這主要體現在國外的一些設備廠商已經能制作成熟的設備,能夠很好的來做納米壓印的過程,良率也在逐步的上升當中,但是受限于納米壓印本身,它目前能夠壓的光柵的精度是有限的,工藝難度也很大。


靈犀微光體全息畫面實拍


國內而言,短期一定是結合陣列光波導成熟技術積累和量產工藝上的產品,能夠優先落地進入消費級。而靈犀微光正在實打實地擴建產線實現這一陣列光波導愿景,并同時推動在2023年完成國內首個體全息產線的落地及小批量產。

下面和大家分享一下靈犀微光在光波導方向上取得的技術突破。我們現在最新的陣列光波導片,已經實現60°視場角下亮度達到1000尼特左右,1080p的分辨率上已經能夠做了相對比較成熟了,尤其我們現在解決了二維擴瞳的問題,這令我們可以把鏡片做得更輕薄,整體的模組做得更小。

通過這個視頻,可以看到我們能夠做到一個比較好的AR透視效果,從色彩上、對比度上都是可控的,這是我們在辦公室實拍的效果。我們體全息上其實也做了比較多的工作:

1、理論仿真方面:使用Virtuallab商用軟件對體全息光柵的耦入角度,衍射效率,角度帶寬,進行原理性初步仿真。

2、體全息光柵波導制備方面:實現紅藍單片,和紅綠單片波導片試制,完成了單片雙色波導拍攝和單片三色波導樣片的試制。

3、體全息材料研制方面:掌握聚合物分散液晶配置配方,進行聚合物分散液晶相關合成設備搭建和聚合物分散液晶相關合成,已完成第一批材料的合成。

4、光機整體設計方面:完成單綠色體全息波導的光機整體設計,進行了單綠色全息波導模組試制;完成全彩小口徑光機(投影光機部分)光學設計。

靈犀微光光波導模組系列適用不同的場景,比如說消費者系列我們有輕量化接近鏡片的AW70Pro,安防場景上投式的AW81,主要對標HoloLens這類頭戴式光學方案。

除了光學模組更加小型化,更加成熟,成本更低以外,還有一個非常重要的方向就是怎么樣讓AR眼鏡更好看,大家消費者能接受更輕量級,然后體驗更好。為了促進產業的發展,我們也做了全套參考方案。阿拉丁Zero,這就是基于靈犀微光的光學模組完成的參考方案。

阿拉丁Zero參考樣機重量僅為38.6克,這是世界上最輕量級的AR眼鏡。作為一個我們給到面向下游的參考方案,它允許大家使用硬件開發包去開發自己想要的功能,這些功能包括像醫療、工業、安防、軍用等B端場景,也包括未來的C端場景,比如娛樂、教育、旅游、新零售等等,現在都是一片藍海,所以說我覺得元宇宙是AR/VR產業鏈最大的機會。


靈犀微光輕薄AR參考機型:阿拉丁Zero


我們希望更多的下游,或者更多的做AI眼鏡的廠商,能把結合更多內容應用場景來參與到AR眼鏡的設計中,這樣AR產業才能得到蓬勃的發展。針對此遠景,我們今年還將繼續迭代推出新一代的參考機型產品,大家盡請期待吧!


布局未來,讓AR眼鏡走入日常生活


除了產品,我們也在應用場景做了很多嘗試。

針對于醫療場景,七八年前我們就攜手下游客戶推出了一款翻譯眼鏡,當時我們是給聾啞人做翻譯,文字的可視化解決了他們在溝通中遇到的問題,實現了聾啞人與正常人直接、順暢的溝通。

我們也為工業場景打造了可視化工作的AR眼鏡,工作人員可以通過眼前的屏幕解放雙手,讓電路圖之類的信息能夠直接呈現在眼前,也可以鏈接邊緣云計算平臺,實現遠程協作維修和質檢等工作。這對工業場景客戶效率的提升十分顯著。

AR眼鏡的用途,正在B端的各行各業發光發熱。從B端到C端,是一個市場沉淀和發展的過程,也是AR眼鏡各方面走向成熟的過程。在這個進程中,靈犀微光會一直堅持走在AR光學研發最前沿,推動國內AR產業的落地。


量子位(公眾號ID:QbitAI)授權轉載

 作者:凹非寺


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