查看引用/信息源請點擊：映維網(wǎng)Nweon

AR的圣杯：光場全息透鏡

（映維網(wǎng)Nweon?2022年10月11日）于2017年底成立的CREAL位于瑞士洛桑，是一家專注于為AR和VR頭顯構(gòu)建光場顯示技術(shù)的公司。團隊成員的背景來自英特爾、Magic Leap、CERN、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等著名企業(yè)和機構(gòu)。

延伸閱讀：CREAL展示光場VR渲染視頻：任意距離聚焦，視網(wǎng)膜分辨率、240Hz刷新率

延伸閱讀：CREAL展示小型化光場AR、光場VR頭顯

這家公司早前已經(jīng)多次演示過自己的光場技術(shù)，并展示了非常震撼的視覺效果。團隊在2021年初發(fā)布了一款VR頭顯原型和一款A(yù)R頭顯原型。盡管當(dāng)前的原型非常巨大，但公司預(yù)計到2022年底能夠進一步縮小光場顯示技術(shù)。他們同時相信它可以實現(xiàn)微型化，以適應(yīng)緊湊型AR眼鏡。

日前，團隊以“AR的圣杯：光場全息透鏡（Light-field holographic lens: the holy grail of AR）”一文介紹了他們的全息透鏡，以及行業(yè)的其他方案。下面是映維網(wǎng)的具體整理：

AR眼鏡的圣杯：光場全息透鏡

AR眼鏡最關(guān)鍵的元件之一是“鏡片”：透鏡。AR眼鏡的透鏡稱為Combiner組合器，而它的要求似乎違反了物理定律，因為其需要將現(xiàn)實世界與數(shù)字圖像融合在一起。理想情況下，透鏡對用戶以及注視用戶眼睛的第三人而言應(yīng)該是完全透明，并且不應(yīng)該產(chǎn)生不必要的偽影，比如彩虹偽影或發(fā)光。

同時，它需要向用戶的眼睛提供高質(zhì)量、明亮和節(jié)能的真實3D圖像，并且必須為現(xiàn)實世界和數(shù)字內(nèi)容提供用戶所需的視力校正。然后，眼鏡必須適配每名用戶，同時看起來與經(jīng)典眼鏡一樣時尚。當(dāng)然，它們的價格需要足夠親民。

CREAL自研了盡可能接近這一愿景的Combiner組合器。CREAL的光場全息Combiner組合器器實現(xiàn)了時尚、舒適、低成本、能夠校正視力的AR眼鏡。

賦能下一個劃時代產(chǎn)品

在過去的數(shù)十年間，通信技術(shù)最偉大、最大膽的使命是帶來舒適、時尚、實惠、并且能夠以最無縫方式提供所有數(shù)字信息的AR眼鏡。這是下一個劃時代的產(chǎn)品。

一個問題是如何創(chuàng)建這樣的圖像。另一個問題是如何將這樣的圖像與真實世界的光一起傳遞給眼睛。CREAL在這里只探討后一個問題。

你有看過完全透明，同時又完全反射的組件設(shè)備嗎？沒有。大致來說，這就是CREAL的目標(biāo)。在深入研究更多技術(shù)細節(jié)之前，CREAL先簡單說說答案。到目前為止，只有兩種組合器概念達到了產(chǎn)品成熟度的水平，足夠輕薄且美觀，并提供了某種形式的視力校正：全息光學(xué)元件（HOE）和衍射波導(dǎo)。

AR眼鏡的第一個商業(yè)化HOE組合器大概是來來自于索尼開發(fā)，隨后是英特爾（Vaunt）、North（Focals）等。HOE基本上是一種可與頭發(fā)媲美的薄膜，它可以允許幾乎所有的可見光毫無影響地通過，同時以所需的方式反射一種或多種選定的顏色。所以，AR眼鏡的HOE對幾乎所有現(xiàn)實世界的光線都完全透明，但又幾乎可以反射顯示器投射的所有光線（當(dāng)然，顯示器只能使用與HOE相互作用的少數(shù)選定顏色）。

HOE的物理概念非常簡單，它們具有極高的能效和低成本，可以直接嵌入傳統(tǒng)的視力校正鏡片之中。

HOE組合器的缺點是（至少對于英特爾和North而言），整個圖像通過瞳孔附近的一個小區(qū)域傳送到眼睛。當(dāng)瞳孔移出這個區(qū)域時（這種情況經(jīng)常發(fā)生），數(shù)字圖像就會丟失。因為這個小小區(qū)域（出瞳），投射的圖像會攜帶光學(xué)路徑上所有灰塵和瑕疵的陰影，包括用戶的睫毛。同時，它對系統(tǒng)的任何變化非常敏感，包括機械和溫度變化。

另一個缺點是，盡管并非在所有情況下都存在，但數(shù)字圖像是通過眼睛和透鏡之間的自由空間從眼鏡太陽穴投射到HOE組合器。這會產(chǎn)生額外的光學(xué)變形，而用戶的睫毛可能會干擾數(shù)字圖像。

衍射波導(dǎo)組合器

衍射波導(dǎo)組合器是當(dāng)今的主流，原因或許是它們非常神奇。衍射波導(dǎo)組合器已經(jīng)在Vuzix、HoloLens?1和HoloLens 2，以及Magic Leap 1中亮相，并且會登陸Magic Leap 2和眾多其他產(chǎn)品。

衍射波導(dǎo)的工作原理類似于潛望鏡。微型顯示器的數(shù)字圖像注入波導(dǎo)一側(cè)的一個小輸入端。然后，光通過波導(dǎo)表面之間的反彈傳播。每次光線碰到表面之上的衍射光柵時，其中一部分以預(yù)定的方式離開波導(dǎo)，其余部分繼續(xù)傳播，直到它碰到光柵的其他地方。因此，每條光線以相同的角度通過眾多不同的位置離開波導(dǎo)管。

這稱Ppupil Replication光瞳復(fù)制，它有效地擴大了出瞳。由于相同光線的所有平行實例代表相同的像素，波導(dǎo)將像素的焦距設(shè)置為無窮遠。由于衍射光柵實際上可以覆蓋所需的任意大面積，所以它通?？梢越鉀Q前面提到的出瞳過小問題。但這同樣存在一個問題。

波導(dǎo)必須扁平，它們不像HOE那樣透明或有選擇性，并且會產(chǎn)生一定的彩虹偽影。它們需要努力確保數(shù)字圖像具有良好的色彩均勻性。它們的視場受到嚴格限制。它們經(jīng)常將光線向外照射，令社交目光接觸變得困難。另外，你需要額外添加視力校正鏡片，從而令整體更厚，并增加本已相當(dāng)可觀的成本。最重要的是，衍射波導(dǎo)的光效率極低。眼睛接收到的光線少于注入波導(dǎo)的1%。

事實上，智能眼鏡的光效低得令人望而卻步。電池的大部分容量都用到了光損耗。最后，衍射波導(dǎo)無法傳輸具有自然焦距的3D圖像，至少目前暫時不能夠以真正的焦距投影3D圖像。

上述任何一種經(jīng)典組合器都無法將這個圖像傳遞到眼睛。

經(jīng)典HOE的小出瞳沒有焦深，就像針孔攝像頭圖像一樣。衍射波導(dǎo)的基本功能定義了顯示注入圖像的固定焦平面。它們同樣沒有焦深。光場技術(shù)需要一個大的出瞳，但不需要光瞳復(fù)制。

所以，CREAL開發(fā)了自己的光場組合器。它與上文描述的HOE類似，只是光場HOE反射眾多小出瞳，并由它們共同構(gòu)成一個大出瞳，從而形成一個大視窗。

這是可能的，因為光場投影本身補償了與大出瞳和非對稱光學(xué)相關(guān)的畸變，而這對于任何其他經(jīng)典類型的顯示器來說都非常困難，更不用說經(jīng)典顯示器會提供扁平圖像。因此，光場HOE組合器提供了經(jīng)典HOE的所有優(yōu)點，但同時又消除了它們最大的缺點：出射光瞳小。作為一大優(yōu)勢，它為真實世界和數(shù)字內(nèi)容提供了具有自然焦距和視力校正的真實3D圖像。

CREAL光場HOE組合器的主要技術(shù)優(yōu)勢概述

• 兼容視力校正：CREAL的光場HOE組合器放置在傳統(tǒng)透鏡之上，保留了外表面曲率的美學(xué)和內(nèi)表面曲率的校正功能

• 組合器將相應(yīng)的校正應(yīng)用于光學(xué)和數(shù)字虛擬圖像，使真實世界和數(shù)字世界在光學(xué)上完全相同

• 組合器的生產(chǎn)可以充分利用現(xiàn)有的7億/年個透鏡制造生態(tài)系統(tǒng)。

• 高光效/能效：CREAL的全息透鏡可反射高達50%的選定波長，且可確保高達約4%的總光源-眼睛效率。這個數(shù)字似乎很小，但實際上已經(jīng)非常高。相比之下，波導(dǎo)只有約0.02%的光源-眼睛效率，比CREAL的光場HOEC組合器器低100倍。在未來，眼動追蹤可以令效率提高四到五倍。

• 寬視場：CREAL的全息透鏡對視場沒有嚴格限制。薄膜可以覆蓋整個透鏡，為未來增加視場留有空間。

• 高度可定制，成本低廉

• 數(shù)字圖像的校正功能部分記錄在HOE中，部分通過投影引擎進行數(shù)字調(diào)整，實現(xiàn)了多種視力支持和美學(xué)設(shè)計。

其他技術(shù)規(guī)格：

• 適眼距~20 mm

• 色彩高度均勻

• 幾乎沒有彩虹偽影

• 幾乎沒有向外透光

非光瞳復(fù)制組合器

將真實世界與數(shù)字世界進行光學(xué)結(jié)合的最直接的方法是使用一種半反射鏡透射現(xiàn)實世界的光，并部分反射顯示器的光。最簡單的例子是一種表面涂有反光金屬的玻璃。當(dāng)一個半反射鏡像勺子一樣彎曲時，它可以放大一個小顯示器，并將其圖像放在你面前一定的距離，而不會改變現(xiàn)實世界。例如，這是Meta和Project North Star的方法。

缺點同樣明顯。透明度和反射率相互競爭（更透明意味著更少反射，反之亦然），同時光學(xué)器件的外觀不可避免地有點尷尬。另一種可能是所謂的Birdbath組合器，它類似于彎曲的半反射鏡，但由于增加了一個平面半鏡，所以具有更對稱的配置。它可以稍微小一點，失真較小，但它依然很厚，透明度差，視場有限。最著名的例子是Nreal。

純反射組合器的優(yōu)點是可以傳輸具有焦深的圖像（Avegant、Lightspace Technologies）?；蛟S更時尚的組合器是帶針鏡的光波導(dǎo)，例如LetinAR或Kura。光波導(dǎo)基本上一塊玻璃，它將來自微型顯示器的光在平行表面之間反射，直到碰到眾多小斜面中的一個。然后，它將光線反射到眼睛，而真實世界的光線圍繞著反射鏡傳遞。最終，它的工作原理就像一個帶有鏡點的玻璃。

透明度和反射率之間的基本折衷依然存在，但光學(xué)結(jié)構(gòu)可以非常薄和平。主要缺點是，針狀鏡就像玻璃上的小點一樣清晰可見（但理論上說這可以消除），用戶將數(shù)字圖像視為部分重疊。另一個問題是太小的反射鏡會將分辨率限制在衍射極限。

光瞳復(fù)制組合器

這種反射鏡為何不能一直連續(xù)下去，只是部分透鏡和堆疊呢？這正是Lumus所做的事情。它在玻璃基板形成了一堆傾斜的半反射鏡。顯示器發(fā)出的光線在玻璃板的外表面之間反彈，直至碰到內(nèi)部的半鏡，然后半鏡將光線反射到眼睛。

光線的非反射部分繼續(xù)在曲面之間反彈，直到碰到下一個半鏡，然后是下一個半鏡，依此類推。結(jié)果非常出色。Lumus有可能制作出當(dāng)今最高質(zhì)量的AR圖像，但除了成本、復(fù)雜性和扁平數(shù)字圖像之外，這一概念的最大缺點可能是視場。最大視場由鏡片平行外表面之間的最大反射角給出。這不能大于玻璃材料的特性所給出的總內(nèi)反射角。

更寬的視場需要昂貴且通常較重的材料。對同一光線的重復(fù)反射觸及了另一個問題：光學(xué)擴展量。簡單地說，光學(xué)擴展量決定了視場和出瞳之間的權(quán)衡。視場越大，出瞳越小。

問題是CREAL希望兩者都要大。這就是為什么最初出現(xiàn)了具有相同光線重復(fù)反射的組合器，比如Lumus制造的組合器。這種光瞳復(fù)制避開了光學(xué)擴展量的限制。視窗實際上可以像你希望的那樣大，絕對足夠大。

具有衍射光柵或全息光柵的波導(dǎo)組合器

我們可以增加類似于Lumus光導(dǎo)一樣執(zhí)行光瞳復(fù)制（出于相同的目的），但通過不同機制的波導(dǎo)。光通過與衍射光柵或全息光柵的相互作用離開波導(dǎo)，而不是通過斜鏡的反射離開波導(dǎo)。這需要非常精細的圖案，以類似于CD或DVD表面的方式與光相互作用。如果設(shè)計得當(dāng)，它們可以完成所需的工作。

波導(dǎo)傳輸光場或全息圖像

對于可以將光與編碼焦深分離，并在離開波導(dǎo)的光中保持焦深的先進波導(dǎo)組合器，我們目前知之甚少。據(jù)報道，VividQ等數(shù)家公司正在投資開發(fā)。如果其他參數(shù)（如效率、透明度、分辨率和視場）足夠好，這樣的波導(dǎo)可能會成為贏家。如果你知道其他組合器概念，請聯(lián)系CREAL。CREAL非常樂意添加它們。

---
原文鏈接：https://news.nweon.com/101387