全息光波導：了解智能眼鏡市場你必須get到的姿勢和全球廠商動態

編譯：山海觀

來源：Upload

本文中我們將介紹近眼光學（Near-eyeOptics），分析波導的演變，然後再具體到全息光波導。在整個介紹分析過程中，我們將研究光波導OEM（原始設備製造商）市場的參與者，最後將重點放到Sunnyvale的DigiLens上。

本文不是一篇學術論文，而是一篇易懂的概述。為讀者提供對波導市場的基本了解，讓讀者感受到光學領域的進步是如何慢慢改變智能眼鏡市場格局的。

近眼光學基礎知識

大多數熟悉智能眼鏡的人對GoogleGlass中使用的顯示器都會有一個大致的了解，它的結構非常簡單：眼鏡側面的電子設備上裝有一個微型顯示器（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90°的轉向稜鏡，藉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，微型顯示器和稜鏡元件構成了一個光學單元，如下圖所示，該光學組合單元由奇景光電（HiMax，來自台灣的一家光學部件OEM廠）供應。

現在，想像一下兩個這樣的90°轉向稜鏡並排放置，如下圖所示。這樣的稜鏡設置可以將微型顯示器所顯示圖像旋轉180°，也可以轉動其中一個實現顯示圖像在同樣方向上的左右偏移。這裡，我們以最簡單的形式展示，當我們在光波導器件上考慮這一效果時，這種顯示轉向會是一個重要的原則。

光波導基礎知識

光波導本身並不是一項新技術，基於光波導技術的顯示器使用相同的技術製造，它允許單向的光波沿光纖傳播。當您從側面看光纖時，您無法看到光線，而只能看到最後傳出的光點。光波導透鏡同樣使用單向光波的這種特性來引導光波從一端到另一端地通過透鏡或平面（平面波導）。

LumusOptics（來自以色列的軍事工業研究）最先商業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似的專利。奇景光電和Lumus以及法國的Optivent公司、Lumus和法國的Essilor公司聯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製造商，最近正與全球最大的眼鏡架公司義大利的Luxottica合併。

「表面浮雕」光波導（Surface Relief Waveguides）

對於更複雜的光波導設計，想像一下上面的稜鏡縮小到非常小的尺寸，然後再被拉長。現在在鏡頭表面雕刻一系列這些的稜鏡，這些微脊被稱為「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被分割成一系列垂直的條紋，這些包含圖像信息的條紋會由鏡片另一端（位於眼睛前方）相應的一組微脊重新組裝並投向眼睛。

這種「表面浮雕」光波導技術最早是諾基亞的專利，後來也由諾基亞商業化。微軟的HoloLens中使用的光波導就使用了這種設計，不過微軟對其作了修改，他們將外殼設計成直立狀態，而微型顯示器則設計在眼睛上方。

諾基亞的專利很值得注意，因為它已經被證明是可以規模化生產的。不僅如此，除了HoloLens之外，諾基亞還將此設計授權給了Vuzix，後者在一家由英特爾投資資助的工廠生產相應的光波導，並以和聯想合作的品牌銷售到中國企業市場。

其他公司也受到了這種「表面浮雕」設計的啟發，芬蘭的Dispelix公司不僅生產了「表面浮雕」光波導，而且還為製造工藝做出了重大貢獻。Dispelix表示，除了類似於諾基亞（減法製造）的雕刻「表面浮雕」波導之外，還可以通過添加工藝（加法製造）形成微脊，比如通過「印刷」的方式將微脊做到鏡頭上。

Magic Leap

對於Magic Leap這樣一個秘密的公司，我們可以從他們的專利申請和收購中獲得一些信息，比如，他們之前推出產品時還沒有確定其實現願景的方法。

MagicLeap為了找到一種可以大規模生產光場顯示器的方法，已經嘗試了各種光學設計。光場可以產生景深效果，使處在焦點的對象看起來清晰，而非焦點位置的對象則會模糊。對於Magic Leap所追求的娛樂應用來說，光場技術可以更真實地呈現虛擬內容。

去年4月，Abovitz憑藉Magic Leap「光子晶元」登上了Wired雜誌的封面。該雜誌引述的名稱中使用到「晶元」一詞，這也透露了他們用來製造這種理論性很強的顯示器的製造方法。

MagicLeap於2013 - 2014年期間提交的專利探討了各種奇特的光學設計，這些設計更多是一種「紙上談兵」，其規格已經超出了現有的工藝製造能力。即使現在能夠製造出Magic Leap在其一系列專利中提出的顯示器，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，即使Magic Leap能夠製造出這樣的顯示器，這種顯示器所用的鏡頭製造成本（每對也會達到數千美元）也會讓人望而卻步，而且它們也缺乏像英特爾這樣大量生產晶元的公司所享有的規模經濟效應。其次，這些專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，所以即使他們可以製造出這樣的產品（甚至即使忽視製造成本），這麼厚的近眼顯示產品也不能在消費市場擁有一席之地。

說到這裡，Magic Leap似乎又回到了最初的繪圖板階段。他們的專利還包括了一些「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採用的印刷微脊技術。

去年，Magic Leap悄然收購了一家名為MolecularImprints的公司。與Dispelix相同，該公司的專利技術也能夠實現微脊印刷。

這種基於印刷技術的層疊微脊可以很好地為MagicLeap提供一種能夠以薄型結構產生光場顯示的光波導，而且還能將製造成本降低到可承受的範圍。但是Dispelix已經開始生產印刷式「表面浮雕」光波導，而且Avegant更是在最近展示了一款光場顯示器（使用了傳統的分束器技術），因此。Magic Leap的這種產品設計可能已經失去了很多新穎性。

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器件，它們本身由納米級全息圖製成。

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，這張薄膜上有通過曝光方式形成的全息圖（信用卡全息圖後面的反射背襯用於為全息圖提供反射式光源）。

對於全息光波導來說，它的製造方法和上面的全息圖類似 – 通過激光曝光在薄膜光聚合物內形成鏡狀光學器件的納米級全息圖，這裡的薄膜光聚合物嵌在透鏡內，可以取代稜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，全息光學系統轉動光束方向，引導單向光束通過表面，另一組結構則進一步將這些光束轉向眼睛。這種創造性的工程技術所實現的厚度只有原來稜鏡式光波導方案的幾分之一。

近十年前，DigiLens對這種技術進行了改進，並為美國軍方（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於機密。

最近有幾個基於全息光波導技術的產品：英國的TruLifeOptics和WaveOptics，以及科羅拉多州的Akonia Holographics。Akonia之前已經在這種技術上花了十年時間，並且在投資全息存儲時還損失了1億多美元。這三家公司現在似乎都已經在實驗室條件下展示過類似於DigiLens 2010年的設計。

所有前面提到的光波導設計仍然屬於「無源」透鏡。被動的鏡頭本身沒有電子元件，它們只是接收微型顯示器投射的光，並被動地引導光線穿過鏡頭，轉向後最終投射到用戶的眼睛裡。

有源全息波導

DigiLens設計出「主動式」全息光波導。

通過使用基於液晶的薄膜聚合物，DigiLens光波導內的全息鏡狀光學器件能夠在用電流激活時改變狀態。

從最早用于軍用顯示器開始，DigiLens一直紮根在航空電子領域。他們再次與羅克韋爾柯林斯公司合作，開始在巴西航空工業公司的噴氣機上創建基於光波導技術的顯示器，這種顯示器安裝在儀錶板上。他們的第一款消費產品，即寶馬智能頭盔顯示器，將於今年晚些時候發售。

在最近對DigiLens創始人，董事長，首席執行官兼首席技術官Jonathan Waldern博士的採訪中，他還透露公司正在研究使用和光波導顯示器類似的技術，將層壓板應用於鏡頭內部（這裡取消的是相機而不是微顯示器），以類似的薄形實現眼睛跟蹤。

相對於DigiLens現有的產品設計，這種新的設計帶來的新穎性可能就只剩下光場技術了。如果說Magic Leap正在通過使用多層光波導結構實現光場技術的話，DigiLens則已經在他們現有的設計中採用了這種多層光波導技術：將紅色光譜分離並引導進入相應的光波導，這個相應地光波導在藍綠色光波導的頂部。此外，DigiLens還採用光波導交疊方案來擴展視場。如果他們還沒有使用這種分層光波導技術來實現光場顯示，那是因為他們的客戶還未提出這種需求 - 他們迄今為止一直專註的是文本導航數據，而不是娛樂。如果付費客戶提出光場顯示的需求，我們可以確定DigiLens一定會採用現有的分層光波導技術。

DigiLens是一隻沉睡的獨角獸，它在這個領域比其他任何光波導OEM先進至少七年。雖然DigiLens同美國軍隊方面的合作可能仍然屬於機密，但要知道美國軍方正在建造什麼樣的HUD都還不會違反安全規定，他們一直是使用DigiLens的顯示器技術來製造這種HUD的。

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