在今年CES上，加拿大材料和光學(xué)公司Meta Materials展示了具有突破性的調(diào)光技術(shù)。光學(xué)專家Karl Guttag指出，電子變色調(diào)光技術(shù)是CES 2023上展示的最重要的新型AR/VR技術(shù)之一，這是一種非偏振調(diào)光技術(shù)。

為什么說它重要呢？Guttag認(rèn)為，在不久的將來，調(diào)光功能將為AR/VR等應(yīng)用場景帶來關(guān)鍵影響，尤其是在戶外場景，背景調(diào)暗可以增強AR的對比度和清晰度。

關(guān)于Meta Materials

這家公司成立于2007年，主要專注于研發(fā)超材料，以及基于無線電、可見光、紅外線等電磁波技術(shù)的微型模組。除此之外，也在探索超材料在AR/VR領(lǐng)域的應(yīng)用。

在AWE 2022上，Meta Materials曾公布AR透鏡定制工藝：ARFusion，宣稱可通過精準(zhǔn)澆鑄，為光學(xué)模組集成屈光度調(diào)節(jié)，并加入超材料薄膜。優(yōu)勢是嵌入濾光器，從而減少漏光現(xiàn)象。此外，還支持電控變色的調(diào)光功能，更加省電。Guttag認(rèn)為，ARFusion很可能會成為Luxexcel（Meta旗下）的競爭對手。

電控變色調(diào)光技術(shù)

據(jù)了解，Meta Materials的調(diào)光技術(shù)基于PPG（在去年5月達成合作）生產(chǎn)的電致變色凝膠、ARFusion光學(xué)模組和超材料薄膜，可控制光的強度、增強光響應(yīng)。實際上，波音787的智能變色窗也是采用PPG的電致變色凝膠。

在CES 2023期間，他們將電控調(diào)光技術(shù)應(yīng)用在微波爐上進行展示，效果相當(dāng)驚艷，如上圖令人印象深刻。我們知道，微波爐的門窗通常比較暗，不太透光，這是因為上面有一層金屬網(wǎng)，網(wǎng)的孔徑經(jīng)過特殊設(shè)計，目的是阻擋微波離開微波爐，對周圍產(chǎn)生輻射。因為光同時具有電磁波和粒子的特性，微波爐上的金屬網(wǎng)正是用來隔絕微波的粒子。

而這臺微波爐的透視窗就像一塊普通玻璃，透過率非常高，你可以看清楚里面食物的加熱過程。該技術(shù)在CES 2023上一經(jīng)亮相，就在社交平臺上獲得了大量關(guān)注。

細(xì)節(jié)方面，Meta Materials的微波爐門采用了超材料結(jié)構(gòu)，可反射微波，同時也可以讓可見光波通過。而類似的技術(shù)也可以用來屏蔽電磁波，比如與窗戶結(jié)合，防止電子竊聽。結(jié)合不同的超材料薄膜，甚至還能讓窗戶將無線電波匯集在建筑物中。此外，Meta還展示了一種在眼鏡片中集成透光天線的方案。

超材料的其他用途還包括：戶外攝像頭、汽車前照燈、汽車尾燈、紅綠燈所使用的透光加熱元件。值得注意的是，Meta Materials的超材料可調(diào)成不同波長的電磁波，宣稱比基于細(xì)線和ITO電極陣列的方案更有優(yōu)勢。

非偏振調(diào)光為何重要

Guttag指出，通常眼鏡使用兩種方法來調(diào)光，一種是光控變色，另一種是電控變色。其中，光致變色常見于感光變色鏡片中，比如一些看起來普通的眼鏡在強光下會變暗，起到墨鏡的效果。它的缺點是基于定制，過渡的顏色和程度是固定的，而且變色的速度慢，變暗大約需要30秒到1分鐘，變透光大約需要2到3分鐘。

而電控變色調(diào)光，常見的方案是使用液晶來控制偏振光，比如具有快門功能的LCD（單個大像素），或是分段調(diào)光方案。這些方案需要先將光線偏振，但這將會阻擋50%以上的入射光，所以基于偏振的電控變色調(diào)光模組透光度通常低于50%。

而控制調(diào)光的部分，則可基于環(huán)境光傳感器，或是AR/MR系統(tǒng)。

Magic Leap 2就是采用偏振液晶調(diào)光模組，而在AR眼鏡中采用基于液晶模組來控制外部環(huán)境光線是比較普遍的功能，它有一個專有名詞“soft-edge occlusion”，直譯過來就是“柔邊像素調(diào)光”。然而Guttag認(rèn)為，ML2的這種調(diào)光方式效果理想，犧牲了至少78%環(huán)境光，更像是一種投資人導(dǎo)向營銷的噱頭。

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Guttag指出，盡管利用使用LC調(diào)光的概念已經(jīng)有數(shù)十年歷史，但Magic Leap是首個在AR眼鏡中應(yīng)用該調(diào)光層的公司。此前IMMY在2017年曾提到過該概念，但并未推出實際產(chǎn)品。為什么呢？因為液晶模組遮擋了至少60%環(huán)境光，這很難讓人接受。

相比之下，Meta Materials的調(diào)光方案為無偏振設(shè)計，透光性更好。Guttag表示：高透明度、無偏振的電子調(diào)光方案，在AR/MR中更加實用。

另外，非偏振調(diào)光方案的另一個優(yōu)勢是，它不會影響顯示模組的亮度和顏色。而偏振調(diào)光鏡片在觀看偏振顯示設(shè)備如：LCD屏幕、AR HUD時，可能會因偏振疊加導(dǎo)致看不到畫面。

透光度最高達85%

Meta Materials展示的電控變色原型支持明、暗兩種模式，明亮模式的透光率大約85%，僅阻擋了15%環(huán)境光。Meta Materials表示：量產(chǎn)版透光度更高，僅遮擋2%到4%光線，明亮模式出現(xiàn)的藍/黃變色也會消除。

變色速度也足夠快，在38秒內(nèi)可從亮變暗，并再次變亮。其中，從亮到暗大約9秒，從暗到亮需要約20秒。雖然這個過渡速度比LCD快門方案慢，但在AR眼鏡戶外應(yīng)用場景是可以接受的。

不過，要想像ML2那樣支持分段調(diào)光，亮度過渡速度需要更快，否則會有明顯的痕跡。因此，電控調(diào)光至少在任意方向的切換過程要少于1/30秒，甚至達到1/120秒級別，與顯示屏的響應(yīng)速度相當(dāng)。Meta Materials表示：已經(jīng)找到加速變色的方法，接下來將繼續(xù)完善。

值得注意的是，Meta Materials的調(diào)光方案只需1V電壓就能變暗，明亮模式為0V電壓，唯一耗電的過程是在啟動凈電荷模組時，因此該方案相當(dāng)省電。

談AR眼鏡戶外應(yīng)用基礎(chǔ)

通常，戶外場景的環(huán)境光具有很大的動態(tài)范圍，也就是從明到暗的范圍很大。在光線充足的室內(nèi)，一張紙的亮度通常在30-100尼特之間，普通顯示器在100-250尼特之間。相比之下在戶外場景中，草叢的亮度能達到2500尼特，白色混凝土6000-10000尼特，黑色瀝青則是2200尼特。

在戶外場景，AR眼鏡可能需要調(diào)暗來增強對比度，但在室內(nèi)場景，其透光度要足夠高才能看清周圍環(huán)境。因此，遮擋太多環(huán)境光后，AR在室內(nèi)場景的體驗感不理想，用起來也不安全。另外，AR眼鏡還需要快速（幾秒鐘）在明暗之間切換。

通常，人眼需要2:1的對比度，才能滿足基礎(chǔ)的文字閱讀要求，而8:1對比度可以讓顏色看起來更飽和。但是在光線充足的戶外，即使AR眼鏡亮度達到2000-4000尼特，也很難看清楚（即使以混凝土地面、綠草地為背景）。

相比之下，車載HUD可以實現(xiàn)高達1.5萬尼特的亮度，這樣才能在太陽光下被用戶看清。但HUD的體積遠(yuǎn)比AR眼鏡更大，在小巧的眼鏡上實現(xiàn)高亮度難度、成本都要高。此外，直接將高亮度的光線給到人眼，對于人眼的體驗可能并不友好。因此，將透過的環(huán)境光調(diào)暗是更好的選擇，而且更省電。

Guttag指出，如果AR眼鏡支持理想的調(diào)光效果，那么它將需要至少2500-3000尼特亮度，才能在室外正常使用。相比之下，亮度低于1000尼特的幾乎不能在室外使用，除非完全遮蔽環(huán)境光，而這就失去了AR的意義。

更多關(guān)注點

Meta Materials采用超材料增強PPG的性能，不過Guttag擔(dān)心這可能會帶來額外的衍射效果。對此，Meta Materials表示：與光柵不同，超材料具有隨機性，可通過調(diào)整來減少衍射。

此外，還需要關(guān)注該公司的調(diào)光方案能否將最大透光度優(yōu)化至98%-96%，以及調(diào)光機制是否為純單色。電控變色的化學(xué)機制和超材料組合后，也需要達到足夠快的響應(yīng)速度，才能很好的實現(xiàn)動態(tài)soft-edge調(diào)光。實際上，ML2已經(jīng)證明，soft-edge遮擋很有用。

總之，盡管高透明度的非偏振電控變色技術(shù)不常被討論，但它一直是AR/VR缺失的一項關(guān)鍵技術(shù)，而Meta Materials代表了當(dāng)下比較前沿的技術(shù)水平（至少在CES 2023上）。由于其重要性，相信我們很快會在產(chǎn)品中看到這項技術(shù)。除了AR眼鏡外，它也可以應(yīng)用于相機、AR HUD、住宅和汽車的玻璃窗等場景。參考：KG