Karl Guttag:从AWE 2022光学技术展示看未来AR趋势

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相比于市面上的各类AR光学方案,现阶段光波导技术更受行业关注。近期,Karl Guttag在接受VR博主SadlyItsBradley采访时就表示:我习惯将显示技术分为两种级别,一种是适合光波导,另外一种不适合光波导。他继续解释道,光波导会将光线高度集中并对准一个很小的孔,这种光学设计不适合OLED。如果将OLED作为光波导的光源,可能亮度都不到1 nit,在昏暗的环境才能看到图像。

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在今年AWE 2022展区,Guttag体验到了一些有趣的光波导和光学引擎方案,在这次采访中他也一一表达了自己的观点。

LCoS/DLP+光波导方案

WaveOptics被Snap收购之前,推出的光学方案主要由光波导和DLP光源组成。而目前,WaveOptics、Dispelix等AR光波导厂商,开始研发光波导和LCoS的组合方案。据悉,Snap除了收购WaveOptics外,还收购了Compound Photonics,这家公司曾开发LCoS显示技术,号称可实现更高的配置,不过成本高,一直未正式发售产品。Guttag指出,Compound Photonics采用的硅基背板制造复杂,也许不适合制造LCoS,如果生产MicroLED也许更有优势。

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Guttag表示:不过,很多人不看好LCoS。但相比于DLP,LCoS的优势是分辨率可以更高、成本更低、更容易制造,而且货源更广,供应商包括德州仪器等公司。

相比于MicroLED,LCoS可以在小体积光学引擎中实现更大视场角(50°-70°)、更高的分辨率。

目前,一些创新的LCoS引擎方案包括:Avegant、Lumus Maximus、DigiLens、Magic Leap 2等等。其中,Lumus在今年推出的Maximus二维扩瞳光波导在此前的一维扩瞳方案上进行升级,在垂直和水平两个方向投射光线,好处是光学引擎可做到更小。

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DigiLens采用了比较传统的方案,包含了传统的合色棱镜方案,其中包含了光路和分束器路径,光线通过分束器进入、离开LCoS后,会进入投影模组。相比于传统LCoS,MicroLED、OLED的光路更短,硬件结构更简单。

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为了进一步缩小LCoS体积,Avegant等厂家想出了一些创新的方案,比如将LED组合并排成一排,将光路折叠,并射入投影模组,好处是光学引擎的结构更紧凑。而Magic Leap 2则是取消了分束器,采用圆偏振器(加入四分之一波片薄膜的线性偏光片),将LCoS面板放在偏振器之间,直接将光路通过RGB光波导。此外,Magic Leap 2的投影模组可二次利用,一次是发光,另一次是投影。

Lumus采用了一种叫光导管积分器的技术,可实现每瓦4000 nit亮度,光学效率足够高。相比之下,Nreal AR眼镜的亮度仅120流明/瓦。

Guttag表示:LCoS最大的特点就是入瞳区域足够小,光线足够集中。如果你想开发一款20°-30°视场角的AR眼镜,可以直接使用LCoS光源,无需MicroLED。长期来看,即使MicroLED等AR显示技术进一步发展,LCoS也依然有合适的应用场景。比如,传闻Meta就在研发一种显示数字信息的AR眼镜。

DigiLens此前推出了多款可靠的DLP方案,而现在也开始设计LCoS方案。Avegant在光学方面有长期探索,此前曾开发VR头显,以及光场相关的技术,而近年来则开始探索LCoS技术,认为LCoS方案可以做到像MicroLED、LBS光学引擎那样小的体积,同时性价比更高。

Avegant研发了多款LCoS引擎,搭配光波导后可分别实现30°、50°视场角,视场角更大的引擎尺寸更大,但结合广角透镜可缩短光路,整体更紧凑。实际上,Avegant的LCoS尺寸比North Focals的LBS引擎小很多,但视场角却是Focals的两倍,眼动范围也更大。目前,Avegant与Dispelix合作研发了一款分体式AR眼镜原型,采用了向前下方投影的方式。

此外在AWE 2022期间,DigiLens展示了一款2000 nit亮度、30° FOV的LCoS引擎,目前该产品还没有可运行的原型设备,接下来可能会设计成套的方案。

光波导向前投影的优缺点

我们知道,HoloLens 1/2在运行时,周围的人可以看到其遮光罩下面明显的彩虹效应,这是由于光学系统向前投影时产生漏光而造成的结果,由被称为“发光眼效应”。解决方法之一,是在镜片上加入图层,缺点是成本高、制造复杂。

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拿HoloLens的衍射光波导为例,这种光学系统通常有将50%光射入人眼,另外50%则是向前投影。Guttag表示:采用效应在衍射光波导中比较常见,Spectacles、Vuzix、HoloLens都有这个问题。

Avegant将彩虹效应控制的足够好,漏光率只有1%,外观看起来没有明显的色彩。这是因为,Avegant的LCoS技术一方面限制了射出的光线,另一方面将向前投影改为向下。

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为解决漏光问题,Dispelix和DigiLens重新设计了光学系统,比如通过改变投影模组和光波导的角度,或是优化光栅。也就是一定程度上改变光路,将光线输出角度从向前变成向下或两侧。

LBS扫描

原理:用微镜快速扫描一系列激光,来形成图像,频率至少60次/秒,否则容易产生画面闪烁。由于扫描速度在不断变化,AR的亮度也会随之变化,因此需要调节光线来实现统一性。

尽管一些厂商利用LBS引擎开发轻量化AR眼镜,但实际上LBS存在许多问题,比如不够实用,缺少眼动范围和扩瞳,因此激光显示的容错率低,很可能没有进入人眼而是反射到鼻子等位置。也就是说,假如AR眼镜的位置抖动或偏移,就比较难定位你的眼球,那么你就看不到AR图像。这也是什么North Focals需要为用户量身定制。

此前,一家叫EyeWay的公司则是通过眼球追踪来实时调节激光摄入瞳孔的位置,但这又带来新的问题,比如:眼球跳动时,AR图像是否该跟随眼球移动,还是固定位置。实际上,Mojo Vision也存在类似的问题。Guttag认为,即使解决这些问题,也可能还需要10-20年相关产品才会问世。

相比之下,光波导具备扩瞳和眼动范围,即使眼球没有与AR眼镜对准,也能看到AR图像。

另外,LBS为非线性扫描,它的根本问题是扫描速度不够快,而且存在图像扭曲。Guttag表示:我还从来没见到过任何LBS系统的实际分辨率超过宣称的四分之一。

LCoS和光波导厂商VitreaLab

在采访中,Guttag提到了一家在AWE2022展台发现的一家AR光学公司VitreaLab,这家公司展示了一套比较特别的LCoS方案,即将激光作为光源,而不是漫射器。Guttag表示:理想的LCoS方案应该通过激光来点亮,好处是光学效率高、光线高度准直,缺点是可能出现色斑等问题。

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LaSAR联盟

微镜、传感器制造商STMicroelectronics(意法半导体)牵头成立了AR激光扫描联盟(LaSAR)。Guttag认为,企业以同样的目的建立联盟,这种形式在行业中并不少见。LaSAR的矛盾是,尽管LaSAR有不少关键的AR光学厂商,但他们缺少制造AR眼镜终端的公司。但另一方面,如果有公司利用LBS技术来开发AR眼镜,那么这些公司可能也不需要建立联盟。

Guttag表示:我并不十分看好LBS光学技术,因为通常LBS产品的实际效果常常达不到宣称的水平,不管是耗电量、分辨率还是图像质量都不如预期。比如,HoloLens 2就是采用LBS显示模组,为了开发该技术微软投入了数亿美元,但实际的显示效果并不理想。

Oqmented

这是一家LBS显示方案商,也是LaSAR联盟成员。Oqmented的显示方案特点是仅采用一个自由移动的反射镜,以2D正弦波的规律移动。这种方案的缺点是图像亮度不统一,Guttag认为自由移动的微镜似乎更适合LiDAR传感方案,而不适合显示方案。

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在AWE展区,Oqmented展示了与Dispelix合作开发的AR眼镜原型,Guttag在体验后发现分辨率、色彩质量并不高。

Luminit

这家公司将LBS技术与全息光波导结合,其原理是将全息图像作为某种倾斜的反射镜,将激光反射至人眼中。如果做成RGB显示系统,将需要三层全息图,效果有点像是衍射光波导,缺点是显示图像不够纯粹。

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Luminit还展示了一个全息透镜原型方案,该方案将全息与曲面镜结合,采用LCoS光学引擎,原理是将光线通过漫射器放大,投射到更远的屏幕上。此外,还有一个定影膜方案,特点是可与平面透镜集成,将光线反射入人眼。

TruLife Optics

这家公司研发了一个曲面的全息光波导,以及一个适合激光扫描引擎的反射全息方案。该公司与Luxexcel合作,将塑料镜片与光波导进行封装。

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全息光学的一大问题是,现阶段图像质量不如传统光学方案,色彩和亮度不均匀。

Luxexcel

未来,AR眼镜需要支持屈光调节才能满足近视眼等人群的需求。理想的情况,是在AR透镜集成屈光调节镜片,这将考验到AR光学的制造工艺。智能眼镜厂商tooz通过注射成型来制造AR透镜,这种方式成本很高,制作一个模型可能需要花费数万美元。而Luxexcel则是用3D打印塑料镜片,号称合作伙伴约20家,比如Lumus、WaveOptics等等。

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Guttag认为,3D打印镜片工艺适合用来开发AR眼镜原型,可以更快速的为各种视力的用户制作AR眼镜。成本方面,短期来看比注射成型方案更有优势,但长期来看,产量增加后注射成型的单位成本会更低,3D打印需要的时间更久。

META Materials

为了构建AR/VR屈光镜片垂直解决方案,这家公司在2021年曾收购瑞士镜片厂商Interglass的资产和IP。Interglass使用玻璃来制造模型,好处是成本低,而且一些模型还可以重复利用,制造不同度数的镜片。镜片部分,则是采用支持紫外线固化的塑料,好处是更容易嵌入摄像头、传感器等微型装置。不过,Interglass采用的塑料不够耐用,更像是亚克力质感。

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图注:在镜片中内嵌眼球追踪模组、LED光源

参考:KG

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