宣傳光纖掃描成像多年，Magic Leap最終投入光波導懷抱

在近來虛擬現實風投聯盟（VRVCA）發布的報告顯示，2017年，VR/AR全球投資總額達到30億美元新高，較過去兩年增長超過250%。值得注意的是，少數幾家公司獲得的融資佔據了整體的較大比例。雷鋒網曾報道，Magic Leap在2017年獲得淡馬錫控股領投的5.02億美元，2018年初獲得沙特主權財富基金4億美元投資。從2014年至今已經累計獲得近23億美元。

在雷鋒網看來，Magic Leap屢屢獲得巨額融資，有兩個主要原因：首先因為其站在AR眼鏡的風口上，其次由於其宣稱採用空間計算、光學顯示等前沿黑科技。

Magic Leap籌備六年，前期看來其全靠視頻宣傳「騙取」融資，終於在2017年底發布其AR眼鏡產品——Magic Leap One創造者版本。滾石記者在體驗後稱，ML One顯示的虛擬物體不透明，能遮擋物體，還沒有顆粒感。這可以碾壓目前幾乎所有AR眼鏡。

Magic Leap官方描述稱：我們的光場光子產生不同深度的數字光，並與自然光無縫融合，從而將逼真的虛擬物體疊加至真實世界中。Magic Leap一開始宣告他們採用了光纖掃描光場顯示技術（FSD）、光子光場（通過聚焦/深度平面解決視覺輻輳調節衝突）、以及被稱為「光場晶元」的衍射波導。這些技術Magic Leap一直秘而不宣，業內人士也少有知情者。

3月2日，美國專利商標局公布了多個來自Magic Leap的專利文件，包括Magic Leap的外形結構、系統方法和波導顯示器原理。我們終於得以一窺Magic Leap最神秘的光學顯示技術。

在看到專利後，雷鋒網特意聯繫國內光學顯示相關專業人士來進行全面解讀。以下分析來自——靈犀微光高級光學工程師小康，雷鋒網做了不改變其原意的編輯。靈犀微光為消費級AR提供關鍵底層技術，聚焦AR設備的瓶頸技術——光學顯示，主攻AR產品中的核心器件光學引擎。去年12月，靈犀微光獲紅杉中國千萬級A輪融資。此前，靈犀微光曾參與雷鋒網硬創公開課，講解《從離軸光學到光波導技術：詳解AR顯示的過去和未來》）

Magic Leap, 這家做了多年海洋動物視頻的神奇公司，在近期還是有不少進展。比如說從「虛擬版」大鯊魚跳出籃球場地面，進階到「現實版」馳騁籃球場的「真·大鯊魚」奧尼爾代言其最新產品Magic Leap One，宣傳路徑看上去一脈相承。然而在技術層面，Magic Leap多次改變技術方向，Magic Leap最近公布的專利US2018/0052277全部20條權利要求自始至終都圍繞著平面光波導來處理近眼顯示系統的光學問題，並未使用先前宣稱的光纖掃描技術。

 在光波導中切一塊蛋糕

專利顯示，設備藉助三層波導進行光線傳播，而波導表面則是包括多層鍍膜、超表面或者體全息波導等技術來對不同波段的光線進行處理，讓三色的光線分別進入三層波導中。

同時通過光柵來使每一層波導中的光線一部分耦出波導傳向人眼，一部分在波導內繼續摺疊傳播。

每層波導包含不同可重疊區域，用於傳遞光線以及耦出。如下圖X所示：

（圖X，以下圖片均來自Magic Leap專利文件）

再來看這篇專利說明書全文，幾乎把Magic Leap的新產品從頭到尾講了一遍，包括圖像投影顯示、光波導耦入/耦出、出瞳擴展和最終的產品工業設計，甚至連鏡腿可以彎曲都寫了進來，但其權利要求書卻只講了平面光波導的應用這部分，這說明Magic Leap可能存在有多篇同時申請的專利，共用同樣一份專利說明書，更多的權利要求可能還在未公布的專利中。

從專利說明書的細節里不難發現，Magic Leap這篇專利中唯獨和先前宣傳相照應的是，多層光波導不僅限於顏色分層，還會在不同層中顯示不同距離的畫面，實現深度感。換句話說，這是一種偽光場效果，是介於平面顯示和光場顯示之間的一種樸素地實現深度信息的一種方式。如下圖所示：

在耦入方面，Magic Leap使用的是傳統顯示模組。

用三色光源（圖中8705）照射的反射式顯示器（圖中8707，比如LCOS），通過PBS（圖中8710）投影到透鏡組（圖中8715）中，上右圖為實際的光路示意。

至此可以明確的是，Magic Leap在新產品中既沒有使用先前傳言的光纖掃描成像技術，也沒有實現真正意義上的光場效果。他們在做了多年視頻工作以後，終於投入了光波導的懷抱。

和Microsoft在光波導方案撞車，趨勢or巧合？

專利中的描述和圖片表達像極了Microsoft對HoloLens的技術專利US9372347中的表述。對比圖X和圖Y，我們能清晰地發現Magic Leap的光波導鏡片和Microsoft的光波導鏡片形狀幾乎都一樣：光線都是從一個圓形的耦入區域耦入，而後分配給扇形的擴展出瞳區域，最終由方形的耦出區域耦出到人眼中。

（圖Y，來自HoloLens專利文件）

再來說說其中的不同：Magic Leap在其專利的權利要求書側重於耦入光線的分離和分別傳送，即多層光波導片之間的關聯部分（膜層或者表面處理）的設計和製造（用於按照需求從耦入的光線中分離出）；而Microsoft在其專利的權利要求書中的側重則在於單層光波導中全息光柵對光線的引導和傳遞，從而達到擴展出瞳的目的。

從以色列增強現實公司Lumus開始做陣列光波導，到Microsoft繼續使用全息光柵將光波導方案發揚光大，再到上個月爆出蘋果未來光波導方案的專利，現在看來，Magic Leap也算是用旁敲側擊的方式從平面光波導的專利大集合中切了一塊蛋糕。至此，在增強現實陣營中，巨頭們都紛紛選擇了光波導方案，殊途同歸。隨著多年技術挖掘，光波導領域的技術和專利局面已經成型。

光場、光纖維掃描、光波導，都是何方神聖？

1. 光場技術

所謂場，就是將光線以場的形式記錄下來，使得最終能夠還原場景任意位置的任意光線信息的一種模式。從效果上講，光場技術實際上是一種記錄和重現真實而完備的3D場景的過程。

如何才能記錄一個場景下所有的光線信息呢？有一種比較老套的手段就是用許多照相機。

大家應該能想起來《黑客帝國》里Neo後仰躲子彈的場景，有那麼一個瞬間，似乎時間暫停，飛翔的子彈和雨滴都停止了運動，鏡頭在這個時間暫停的場景中轉了一個角度。「時間暫停」的這個瞬間的這些幀圖片，便是用排成一排的攝影機同時記錄同一個時刻的信息，最終把同一時刻的不同角度的畫面先後排列而形成的「時間暫停」的瞬時立體光場效果。

在電影術語里，這種方法叫Bullet Time（中文譯作「子彈時間」），算是一種樸素的光場拍攝，在動物世界裡有很多場景也應用了這種拍攝手段。

這僅僅是增加了一個維度的信息採集，如果變成更完備的光場採集，那就需要下面這樣的相機陣列：

想像一下，每一台相機採集的視頻都存儲並再現出來的時候，觀察者便可以挑選任意相機的視角去看所記錄的場景，便有了一種3D場景的全再現的效果。

2. 光纖掃描成像

光纖掃描成像其實是光場再現技術的一種。光場再現和光場記錄是逆向過程，需要將記錄光場的陣列相機模型反過來。再現光場效果所需要的設備就是陣列顯示設備，陣列的每一個單元都需要能夠顯示從某一個角度觀察的畫面的全部信息，對於不同視角的觀察者，還需要顯示出不同的像素內容。相比傳統2D顯示器，再現光場的顯示器從信息量來看，相當於在2D顯示器的每一個像素點上承載整個畫面的解析度的內容，而這樣的顯示設備沒有辦法真正集成在2D顯示器一個像素點大的空間內，因此實現起來難度會很大。

Magic Leap的光纖掃描技術便是用光纖來做一個像素點的投影，通過光纖頭的微透鏡把一幅畫面的圖像信息投射出來，作為光場再現顯示器的一個「像素點」，然後通過光纖頭的掃描，就像顯像管的電子束掃描一樣，掃出光場再現顯示器所有的「像素點」。

3. 光波導技術

光波導技術是當前應用最廣泛的增強現實顯示技術。從投影模塊到人眼的過程中，需要光波導進行耦入、傳導和耦出，最終呈現在人眼前的是一個透明鏡片透射出來的圖像，與偏振分光稜鏡相比，有其輕量化的優勢，同時可以通過多層疊加的方式顯示不同深度的信息。

小結

完全還原一個場景中的所有光線信息，是我們所能想到最完美的顯示技術，這也是光場技術所許諾的。但我們往往容易低估一項新的技術誕生到成熟的周期，經過一系列實驗的光場技術依然不具備產品化的條件。這個行業的先驅Magic Leap選擇回歸產品，從消費級AR眼鏡最基本的需求出發，用多層疊加光波導的技術實現相對輕便、又擁有多深度顯示的Magic Leap One。

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