灵犀微光CEO郑昱:阵列光波导,推动AR眼镜三年内走向消费级市场的显示技术

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元宇宙产业的发展,正在将各种前沿领域技术汇集到一起,构建出下一代互联网的新形态。

正如互联网的准入级终端是PC,移动互联网的准入级终端是手机,那么下一代互联网,准入级终端或许就将是VR和AR设备。

VR终端或将承载深度元宇宙的交互,而AR终端的普及或将让元宇宙技术走向千家万户。

AR设备,尽管外形看来极度接近于普通眼镜,但其核心的光学显示部分,也就是光学模组,让它成为最有希望叩开元宇宙大门的“低门槛”终端。

围绕AR产业趋势、元宇宙等热点话题,灵犀微光CEO郑昱在「量子位·视点」直播中分享了他的从业经验和观点。

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以下根据分享内容进行整理:

谈谈AR眼镜及其背后的技术发展

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其实对于我们而言并不陌生。从2012年Facebook收购Oculus开始,其实AR/VR的概念已经家喻户晓了,2016年可以说是VR的元年。转眼AR,经过这么多时间的发展,我们期望AR未来能够替代我们的手机成为下一代移动终端,但这件事情貌似现在还没有发生。

那么很多人就会问,究竟什么时候它能够爆发呢?AR/VR究竟什么时候能够像我们的手机一样,每个普通人都能用?我想说面对美好的未来,现实还是比较残酷的。现有的AR/VR设备,整体上还面临着体积比较庞大,体验有待提升,同时售价也相对比较高等诸多问题,这种设备对于准入型终端而言门槛比较高,所以在C端市场还需要一段的时间能够爆发。

在这段时间内需要突破的点有很多,其中非常重要的一点就是如何把它的硬件做得更加小型化,更加便宜,能够非常低门槛地让大家能够进入元宇宙世界,这是我觉得未来非常关键的一点。

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灵犀微光轻薄AR参考机型:阿拉丁Zero

盘点目前市面上TO C的VR/AR产品,可以看到现在主流设备的一些情况:Quest2卖了1500万台左右,截止到现在应该是历史上VR设备销量最高的一款产品;经历了两代产品迭代的HoloLens,是微软售卖的标杆性AR产品,但是售价高得离谱;同时还有另外一款产品Magic Leap One,也就是我们上图的左上角的形象。

无论这些眼镜什么样,大家发现很显然有一个特点,它们不是真正的眼镜,而是一个非常笨重的头戴式显示器,一个头环形状的设计,其实广大消费者很难接受这种AR设备的形态。

那么,很多人就要问:为什么他们现在要做成这个样子,不做成那种轻便的眼镜?我认为主要原因有两个:

一个原因是从显示模组端看,如何显示一个比较大视场角的高分辨率图像。所谓大视场角就是画面很大,高分辨率就是显示很清晰、色彩对比度很强的画面,这依然是一个在物理极限上的难点,现有的技术来看,要实现一个这样的大画面、高分辨率,同时又要小体积的光学器件,难度还非常高。

第二个原因就是算法、算力层。计算机世界中永远存在算力跟算法之间的博弈关系,要想实现AR的效果,比如像我们想象当中的那样,我们能够与虚拟人物虚拟地开会,这些都需要强大的算力,那么这个算力背后支撑它的就是芯片的高性能,然而高性能芯片又同时带来的一定是高功耗与巨大的体积占据。

在这个方面,现有的AR/VR设备还很难去平衡,但迭代速度也很快,我觉得可能还需要3-5年的时间。那么在这个过程当中,AR设备会走两个方向,一个方向是选择更小的体积,牺牲一些算力和画面尺寸,做到极致轻薄。

这些轻量级的AR眼镜,可以实现信息提醒、导航文字提醒、简单翻译这样的功能。例如最近Google在发布会上公布了一款AR眼镜的原型,非常轻量级,就像普通眼镜一样,内部置入了谷歌翻译的功能,可能还有一些其他的比如说HUD导航这样的功能,这个就是所谓的“轻量级AR眼镜”。

同期,我们可以看到国内OPPO也在去年发布了这样的产品,但那款Air Glass是一个单绿色显示的一个产品,当然售价也不是也不菲。那么无论国内国外大家都在探索的一个方向,就是有没有可能在这种功能简单轻量级AR设备上完成一个消费级、广泛接受的产品形态,这也是我们所为之努力的。

第二个方向就是体积更大一些,但是画面更大,功能更强悍,有一个相对完整的AR甚至MR功能的AR眼镜或者叫AR头盔或者头显,那么微软走的就是这个方向。

这类混合现实终端,在算力和形态妥协下,实现了十分惊艳的图像、交互效果,你可以带着头显,看到手中出现虚拟小动物,或者虚拟场景与真实世界相融合,它们的运动、力学和场景反馈都是基于强大的算力,实现与真实环境融为一体的。在这个方向上,我认为微软和Magic Leap One做了很多的工作,也突破了很多技术难题。

其实这个方向也是比较有意思的,我们也有对应的产品布局。但是这个方向产品高昂的售价、纯TO B场景的定位和头显形态等等问题,使得我们很难在真正的生活中广泛地使用它。我个人认为,至今为止还没有解决上述全部问题的标杆性产品出现。

AR光学发展史和AR光波导技术剖析

我们从产品回到光学,为什么说现在阶段无法实现一个集小型化和大画面、高分辨率为一体的AR产品,这其中一个核心,也是非常重要的驱动因素就是光学模组。

大家知道AR/VR在硬件层面上跟手机有非常大的区别,其中最重要的区别就是它把原来我们手机的屏幕换成了镜片,以实现原来在手机上能看到的画面,并且我们可以通过眼镜看到立体的、具有空间维度的画面呈现。这个效果是通过一个特殊的AR光学系统实现的。

AR的光学系统肯定要跟我们的显示屏不一样。首先,它要能够让我看到一个“虚”的形象。第二,它也不能遮挡正常的光线进来。既要符合这两个要求,同时又要做小体积,其实难度很高。

历史上有很多的方案,比如说我们最早的离轴光学。离轴光学最实际的使用就是在军工领域,我们经常看到飞行员佩戴一个大头盔,戴上以后,他就可以看到一些仪表盘的信息,同时也能看到外界的信息,这就是最早的AR头盔。

随着技术的发展,我们出现了体积更小一些的棱镜方案即谷歌眼镜的这种方案。这种光学系统外观看起来就是一个立方体的棱镜块,把它放到用户眼前,其中有一个半反半透膜和反半透的涂层,使得外界的光能够进入用户眼睛,同时也能把想要呈现的光线打入眼睛当中,从而形成一个叠加效应。

这类棱镜光学方案,依然摆脱不了体积或者叫光学口径跟它的成像的图案的视场角之间的一个正比例关系(GoogleGlass的视场角仅有15°)。

原则上来说,图像越大体积越大,在光波导方案上面得到了比较好的解决。光波导方案能够把一个大的图像,通过一个小的轻薄镜片最终投到眼前,画面大小与镜片体积之间的正相关关系在光波导系统下能够实现较好的平衡关系。理想状态下,光波导传输系统可以使用很轻薄的、跟眼镜片一样的薄片就能实现在3米距离观看近百寸投影画面的观感。

极致轻薄下的画面呈现,是光波导相对于离轴光学、棱镜成像以及自由曲面的本质区别,其中的核心在于光波导具备对微显示画面的拆分重新组合和放大作用,我们可以把它称之为扩瞳系统。

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正如图中所对应的,扩瞳系统简单来说是将微显示器的偶入部分通过光路传输到经过特殊工艺打造的阵列区,也就是我们所说的波导传输部分,这个过程使得整体的光系统能得到画幅扩展并最终耦入到人眼。

研究领域,光波导技术路线在1990-2001年开始得到广泛讨论,但当时受限于工艺的不成熟以及电子器件小型化的困难,所以没有大规模广泛地落地使用。

但是自2015年以来,集成电路得到飞跃式发展。在移动终端的发展进程中,电子器件越做越小,芯片集成化越做越高。所以在电子部分能够缩小以后,AR的光学模组迈向轻薄化光波导时代的重要性越来越显现出来。

那么在光波导路线上,根据它的制造工艺和设计理念的不同,还可以继续细分。目前而言有三个方向——几何阵列光波导、浮雕光栅和体全息。那么在这样的一个光波导发展的大路线上,究竟谁是未来?

这个问题目前还没有一个标准答案,就像在苹果iPhone出现之前,智能机就有很多种形态,关于智能机的屏幕选择上,是使用电阻式屏幕还是多点触控电容式屏幕,在业内一直是一个疑问。其实各个厂家都在各自追寻正确路线的答案。

所以在标杆性的产品中,所有人都在猜最终会是哪一个,这是一个对技术方向的赌注,也是科技公司对于产品和技术认知的比拼,包括Meta、Apple、Microsoft、Snapchat在内,各个公司都有各自的解决方案和不同的理解。无论是国外的公司、国内的公司、创业公司或是大公司,目前的光学方案并没有标准化。

那么在这几种技术路线上,我这里简单做一个效果上的比较。

从现在的结果来看,几何阵列光波导是占比较大的优势。主要体现在这几点:

首先是光能利用率高。光能利用率指的是一份光从显示光源中打出来,最终镜片上有多少光能够被接收到并且进入眼睛里。光波导模组的光能利用率越高,同样光源下到达到用户眼睛里的光线,所需要的能量越少,功耗就越节约,这是一个非常重要的指标。

典型的产品,比如说微软HoloLens使用了表面浮雕光栅来制作显示系统,它需要把外界的光挡住一部分才能入射到人眼当中。这个设计的背后原因是它使用的表面浮雕光衫的光能利用率比较低,本身虚拟画面的光线不是很强,所以外界的光线进来的时候要挡掉一部分,否则我们就无法看到虚拟的图像。

那么在这个指标上,几何阵列光波导占比较大的优势。由于它使用这种阵列反射镜,而表面浮雕光栅受限于多极衍射原理,它的颜色除了在我们想要的光线处显像,从其他方面也会有这种色散现象。这会造成一个非常重要的问题,我们叫正面漏光,就是光源除了投到我们眼睛里面以外,同时也在往外投。

如果从外面能看到光源传输的光线,就意味着你也会发现有一个图像在镜片外侧显像,这对于个人隐私的保护和佩戴者的综合体验而言都不是个好消息。

其次,阵列光波导相较浮雕光栅在色散问题上解决得更加彻底。也就是说当看一幅纯白画面时,整个画面是呈现完全均匀的白色,还是每个画面中有些是偏红色,有些是偏蓝的。这种色彩均匀性把控不到位的光学系统成像,对于观感的影响很大,试想你在看电视的时候如果色彩还原存在严重问题,这几乎是无法令消费者接受的。

颜色不均匀现象,在表面浮雕光栅方案里依然是比较严重的,这是由于使用了衍射光栅这种对光波长比较敏感的器件,或者说对光谱有较强选择性的光学器件来做它的耦入或耦出系统,导致最终会呈现这种现象。

接着,是视场角和体积的把控。这是光波导系统通性的优点,但其在阵列光波导上的体现会更加淋漓尽致。例如,灵犀微光即将推出的视场角达到60度的模组产品,光波导基于全反射期间的光学显示,相较其他方案折射率更高。光波导镜片折射率越高,能够在光波导中能够传输而不逃逸的光线就会越少,这样的话视场角就会越大。

最后,是轻薄度上的优势。从厚度来看,光波导相较其他方案就呈现出天然优势:表面浮雕光栅通常需要单片显示单色,因此RGB的全彩显示需要多片波导片叠加,其厚度会更厚;几何阵列光波导和体全息可以达到单片彩色的显示方案,这令其形态更趋近于普通眼镜片,甚至可以更薄。

轻薄型AR眼镜或将成为元宇宙准入级终端

那么基于上面的内容,很多人还会继续问我另外的问题:在阵列光波导、浮雕光栅和体全息发展的最终,这些方案是否可以随着迭代逐步解决问题,哪个方案又最可能在未来结合进AR眼镜使之能够承担元宇宙终端入口的角色呢?

从现在的角度来看,比如在表面浮雕光栅方案中的偏色问题,本质上是受限于物理特性本身的。我只能说,从诺基亚发布第一个关于表面浮雕光栅来制作光波导器件这样原理性专利开始,至今已经过去20年了,这个问题并没有看到明显的改善。

此外,这20年中浮雕光栅其实也没有比较好的量产方案,或者说比较好的、从量产和设计上都比较优秀的方案来解决这种问题。未来20年有没有可能解决这些问题?我觉得有可能,但希望渺茫。

包括微软,作为AR产业龙头企业,从2014年发布了HoloLens1,今天的HoloLens2,一直以来并没有很好地解决上述问题。

此外还有光能利用率问题,目前表面浮雕光栅和体全息方案在光能利用率低这件事情上一直没有较好的解决方法。

从光源层面分析,为什么Micro LED会被关注到,就是因为其本质上要比现在的Micro OLED对的亮度高100倍以上。对于浮雕光栅的方案,其光能利用率缺点就会得到局部缓解,但色散问题可能反而会更加严重。况且,Micro LED目前并未实现量产,高光能利用率下续航、散热问题如何很好地在集成眼镜时解决也还在探索过程中。

Micro LED的成熟还需要3-5年的时间,尤其是彩色的,这也是为什么国内OPPO的AR眼镜选择了单绿色。Micro LED的道路依然还很漫长,那么具体的我就不再细讲了。

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关于技术实现这块,浮雕光栅还存在众多尚待解决的难点:比如透光率,灵犀微光的阵列光导方案就可以做成很透明,Magic Leap One看起来有黑黑的遮罩,因为必须要把外面的光遮掉一部分;比如颜色不均匀性,在纯白画面上,色彩呈现并不是绝对一致的;还比如极限清晰度,可以直观地看到被上述问题所综合影响。

从成本和可量产性来看,目前行业上众说纷纭,在各大新闻媒体上,每个人都有自己的观点。但是从我的角度来说,这一块的发展在这5年内会有比较大的进步。

就像特斯拉的电池最开始也被认为造不出来,苹果的高精度电容式触控屏刚开始也是有很大的量产困难。所以我觉得可量产性取决于思路发展有多快。现在看来,这两年内,灵犀微光作为国内的光波导厂商,在阵列光波导方案上已经获得了实质性成果。随着成本的继续下降和良率不断提升,我们在2018年就实现了85%良率的大批量产。

那么按照未来成本下降的空间,我觉得成本能够降到50美元左右甚至更低的,再往下降的话,可能就存在一些需要突破的困难。

长期来看,在三种方案中,如果假设显示效果一致或显示效果接近的话,体全息能够做到的成本是最低的,因为它是主要采用曝光技术进行生产,简单来说,有点像我们做激光刻蚀类似的激光设备的工作原理,效率更高。体全息是目前我们长线投入的布局方向,也是国际大厂纷纷押注的核心技术。体全息通过两束激光来做相干干涉,然后曝光在一种材料上,只要这些条件都稳定,它可以又快又高效得做出成型镜片,同时稳定性也相对好。

但是理想很丰满,现实很骨感,我认为现在体全息整个行业仍处在一个极度早期的发展阶段。前期它的固定资产投入会比较大,而且中间也有一些工艺转印中遇到的误差问题待解决,此外压印所需要的模板也会遇到耗损。这个方向有提升空间,但是现在还是有难度。

就目前而言,体全息技术成熟度正稳步发展。这主要体现在国外的一些设备厂商已经能制作成熟的设备,能够很好的来做纳米压印的过程,良率也在逐步的上升当中,但是受限于纳米压印本身,它目前能够压的光栅的精度是有限的,工艺难度也很大。

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灵犀微光体全息画面实拍

国内而言,短期一定是结合阵列光波导成熟技术积累和量产工艺上的产品,能够优先落地进入消费级。而灵犀微光正在实打实地扩建产线实现这一阵列光波导愿景,并同时推动在2023年完成国内首个体全息产线的落地及小批量产。

下面和大家分享一下灵犀微光在光波导方向上取得的技术突破。我们现在最新的阵列光波导片,已经实现60°视场角下亮度达到1000尼特左右,1080p的分辨率上已经能够做了相对比较成熟了,尤其我们现在解决了二维扩瞳的问题,这令我们可以把镜片做得更轻薄,整体的模组做得更小。

通过这个视频,可以看到我们能够做到一个比较好的AR透视效果,从色彩上、对比度上都是可控的,这是我们在办公室实拍的效果。我们体全息上其实也做了比较多的工作:

1、理论仿真方面:使用Virtuallab商用软件对体全息光栅的耦入角度,衍射效率,角度带宽,进行原理性初步仿真。

2、体全息光栅波导制备方面:实现红蓝单片,和红绿单片波导片试制,完成了单片双色波导拍摄和单片三色波导样片的试制。

3、体全息材料研制方面:掌握聚合物分散液晶配置配方,进行聚合物分散液晶相关合成设备搭建和聚合物分散液晶相关合成,已完成第一批材料的合成。

4、光机整体设计方面:完成单绿色体全息波导的光机整体设计,进行了单绿色全息波导模组试制;完成全彩小口径光机(投影光机部分)光学设计。

灵犀微光光波导模组系列适用不同的场景,比如说消费者系列我们有轻量化接近镜片的AW70Pro,安防场景上投式的AW81,主要对标HoloLens这类头戴式光学方案。

除了光学模组更加小型化,更加成熟,成本更低以外,还有一个非常重要的方向就是怎么样让AR眼镜更好看,大家消费者能接受更轻量级,然后体验更好。为了促进产业的发展,我们也做了全套参考方案。阿拉丁Zero,这就是基于灵犀微光的光学模组完成的参考方案。

阿拉丁Zero参考样机重量仅为38.6克,这是世界上最轻量级的AR眼镜。作为一个我们给到面向下游的参考方案,它允许大家使用硬件开发包去开发自己想要的功能,这些功能包括像医疗、工业、安防、军用等B端场景,也包括未来的C端场景,比如娱乐、教育、旅游、新零售等等,现在都是一片蓝海,所以说我觉得元宇宙是AR/VR产业链最大的机会。

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灵犀微光轻薄AR参考机型:阿拉丁Zero

我们希望更多的下游,或者更多的做AI眼镜的厂商,能把结合更多内容应用场景来参与到AR眼镜的设计中,这样AR产业才能得到蓬勃的发展。针对此远景,我们今年还将继续迭代推出新一代的参考机型产品,大家尽请期待吧!

布局未来,让AR眼镜走入日常生活

除了产品,我们也在应用场景做了很多尝试。

针对于医疗场景,七八年前我们就携手下游客户推出了一款翻译眼镜,当时我们是给聋哑人做翻译,文字的可视化解决了他们在沟通中遇到的问题,实现了聋哑人与正常人直接、顺畅的沟通。

我们也为工业场景打造了可视化工作的AR眼镜,工作人员可以通过眼前的屏幕解放双手,让电路图之类的信息能够直接呈现在眼前,也可以链接边缘云计算平台,实现远程协作维修和质检等工作。这对工业场景客户效率的提升十分显著。

AR眼镜的用途,正在B端的各行各业发光发热。从B端到C端,是一个市场沉淀和发展的过程,也是AR眼镜各方面走向成熟的过程。在这个进程中,灵犀微光会一直坚持走在AR光学研发最前沿,推动国内AR产业的落地。

量子位(公众号ID:QbitAI)授权转载

作者:凹非寺

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