本文不是一篇學(xué)術(shù)論文，而是一篇易懂的概述。為讀者提供對波導市場(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)基礎知識

 

大多數熟悉智能眼鏡的人對GoogleGlass中使用的顯示器都會(huì )有一個(gè)大致的了解，它的結構非常簡(jiǎn)單：眼鏡側面的電子設備上裝有一個(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)自臺灣的一家光學(xué)部件OEM廠(chǎng)）供應。

 

 

現在，想象一下兩個(gè)這樣的90°轉向棱鏡并排放置，如下圖所示。這樣的棱鏡設置可以將微型顯示器所顯示圖像旋轉180°，也可以轉動(dòng)其中一個(gè)實(shí)現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，當我們在光波導器件上考慮這一效果時(shí)，這種顯示轉向會(huì )是一個(gè)重要的原則。

 

 

光波導基礎知識

 

光波導本身并不是一項新技術(shù)，基于光波導技術(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。當您從側面看光纖時(shí)，您無(wú)法看到光線(xiàn)，而只能看到最后傳出的光點(diǎn)。光波導透鏡同樣使用單向光波的這種特性來(lái)引導光波從一端到另一端地通過(guò)透鏡或平面（平面波導）。

 

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，它最近也成為Daqri和Atheer的OEM供應商。

 

 

谷歌和索尼都擁有與光波導設計類(lèi)似的專(zhuān)利。奇景光電和Lumus以及法國的Optivent公司、Lumus和法國的Essilor公司聯(lián)合完成了一系列光波導項目的研究。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（Surface Relief Waveguides）

 

對于更復雜的光波導設計，想象一下上面的棱鏡縮小到非常小的尺寸，然后再被拉長(cháng)?，F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。使用這種光波導，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）相應的一組微脊重新組裝并投向眼睛。

 

 

這種“表面浮雕”光波導技術(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中使用的光波導就使用了這種設計，不過(guò)微軟對其作了修改，他們將外殼設計成直立狀態(tài)，而微型顯示器則設計在眼睛上方。

 

諾基亞的專(zhuān)利很值得注意，因為它已經(jīng)被證明是可以規?；a(chǎn)的。不僅如此，除了HoloLens之外，諾基亞還將此設計授權給了Vuzix，后者在一家由英特爾投資資助的工廠(chǎng)生產(chǎn)相應的光波導，并以和聯(lián)想合作的品牌銷(xiāo)售到中國企業(yè)市場(chǎng)。

 

其他公司也受到了這種“表面浮雕”設計的啟發(fā)，芬蘭的Dispelix公司不僅生產(chǎn)了“表面浮雕”光波導，而且還為制造工藝做出了重大貢獻。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)利申請和收購中獲得一些信息，比如，他們之前推出產(chǎn)品時(shí)還沒(méi)有確定其實(shí)現愿景的方法。

 

MagicLeap為了找到一種可以大規模生產(chǎn)光場(chǎng)顯示器的方法，已經(jīng)嘗試了各種光學(xué)設計。光場(chǎng)可以產(chǎn)生景深效果，使處在焦點(diǎn)的對象看起來(lái)清晰，而非焦點(diǎn)位置的對象則會(huì )模糊。對于Magic Leap所追求的娛樂(lè )應用來(lái)說(shuō)，光場(chǎng)技術(shù)可以更真實(shí)地呈現虛擬內容。

 

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)設計，這些設計更多是一種“紙上談兵”，其規格已經(jīng)超出了現有的工藝制造能力。即使現在能夠制造出Magic Leap在其一系列專(zhuān)利中提出的顯示器，他們仍面臨兩大阻礙，第一是成本：眼鏡鏡片的面積比現代的CPU 大好幾倍，而一套完整的智能顯示眼鏡更是需要一對鏡片。這意味著(zhù)，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（每對也會(huì )達到數千美元）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模經(jīng)濟效應。其次，這些專(zhuān)利申請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瞄準的是消費者市場(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”光波導的衍生方案，比如層疊式“表面浮雕”光波導。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)也能夠實(shí)現微脊印刷。

 

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構產(chǎn)生光場(chǎng)顯示的光波導，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，而且Avegant更是在最近展示了一款光場(chǎng)顯示器（使用了傳統的分束器技術(shù)），因此。Magic Leap的這種產(chǎn)品設計可能已經(jīng)失去了很多新穎性。

 

全息波導

 

“全息波導”中的“全息”不是指佩戴者在它們前面看到的圖像，而是指鏡頭內的光學(xué)器件，它們本身由納米級全息圖制成。

 

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）。

 

對于全息光波導來(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形成鏡狀光學(xué)器件的納米級全息圖，這里的薄膜光聚合物嵌在透鏡內，可以取代棱鏡在傳統光波導中的作用。與之前一樣，微型顯示器投射到鏡頭的一端，全息光學(xué)系統轉動(dòng)光束方向，引導單向光束通過(guò)表面，另一組結構則進(jìn)一步將這些光束轉向眼睛。這種創(chuàng )造性的工程技術(shù)所實(shí)現的厚度只有原來(lái)棱鏡式光波導方案的幾分之一。

 

近十年前，DigiLens對這種技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并為美國軍方（與羅克韋爾柯林斯公司合作）構建了航空HUD系統，這些系統目前仍然屬于機密。

 

最近有幾個(gè)基于全息光波導技術(shù)的產(chǎn)品：英國的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時(shí)還損失了1億多美元。這三家公司現在似乎都已經(jīng)在實(shí)驗室條件下展示過(guò)類(lèi)似于DigiLens 2010年的設計。

 

 

所有前面提到的光波導設計仍然屬于“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)地引導光線(xiàn)穿過(guò)鏡頭，轉向后最終投射到用戶(hù)的眼睛里。

 

有源全息波導

 

DigiLens設計出“主動(dòng)式”全息光波導。

 

通過(guò)使用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens光波導內的全息鏡狀光學(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。他們再次與羅克韋爾柯林斯公司合作，開(kāi)始在巴西航空工業(yè)公司的噴氣機上創(chuàng )建基于光波導技術(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在曲面鏡片表面的應用，這意味著(zhù)他們可以將這些技術(shù)應用到普通的眼鏡上。他們最近剛結束由索尼和富士康共同領(lǐng)導的一輪2200萬(wàn)美元的融資。

 

在最近對DigiLens創(chuàng )始人，董事長(cháng)，首席執行官兼首席技術(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顯示器類(lèi)似的技術(shù)，將層壓板應用于鏡頭內部（這里取消的是相機而不是微顯示器），以類(lèi)似的薄形實(shí)現眼睛跟蹤。

 

相對于DigiLens現有的產(chǎn)品設計，這種新的設計帶來(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)使用多層光波導結構實(shí)現光場(chǎng)技術(shù)的話(huà)，DigiLens則已經(jīng)在他們現有的設計中采用了這種多層光波導技術(shù)：將紅色光譜分離并引導進(jìn)入相應的光波導，這個(gè)相應地光波導在藍綠色光波導的頂部。此外，DigiLens還采用光波導交疊方案來(lái)擴展視場(chǎng)。如果他們還沒(méi)有使用這種分層光波導技術(shù)來(lái)實(shí)現光場(chǎng)顯示，那是因為他們的客戶(hù)還未提出這種需求 - 他們迄今為止一直專(zhuān)注的是文本導航數據，而不是娛樂(lè )。如果付費客戶(hù)提出光場(chǎng)顯示的需求，我們可以確定DigiLens一定會(huì )采用現有的分層光波導技術(shù)。

 

DigiLens是一只沉睡的獨角獸，它在這個(gè)領(lǐng)域比其他任何光波導OEM先進(jìn)至少七年。雖然DigiLens同美國軍隊方面的合作可能仍然屬于機密，但要知道美國軍方正在建造什么樣的HUD都還不會(huì )違反安全規定，他們一直是使用DigiLens的顯示器技術(shù)來(lái)制造這種HUD的。

 

 

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