近期，AR/VR光學(xué)專(zhuān)家Karl Guttag介紹了兩家在CES 2023展出光學(xué)傳感技術(shù)的公司：poLight和CML（劍橋機(jī)電一體化）。同時(shí)介紹兩家公司的原因，是因?yàn)樗麄兲峁┝藢?shí)現(xiàn)AR/VR“光學(xué)微動(dòng)”（Optics Micromovement）的兩種不同方案。其中，CML通過(guò)SMA來(lái)驅(qū)動(dòng)光學(xué)元件和設(shè)備（包括體感元件），而poLight則是使用壓電驅(qū)動(dòng)器將薄玻璃彎曲，并集成到柔性光學(xué)聚合物上。

據(jù)了解，poLight的壓電MEMS自動(dòng)對(duì)焦模塊TLens，似乎已用于Magic Leap 2頭顯的1300萬(wàn)像素相機(jī)中。半導(dǎo)體、光電咨詢公司Yole Group CEO指出，poLight提供了AR/VR頭顯的關(guān)鍵技術(shù)，它將為新一批AR/VR頭顯產(chǎn)品提供強(qiáng)大的附加值。接著我們就先分別來(lái)了解一下這兩家公司的具體業(yè)務(wù)。

關(guān)于CML

Cambridge Mechatronics Limited（縮寫(xiě)為CML，中文名劍橋機(jī)電一體化），成立于1995年，該公司專(zhuān)注研發(fā)精密移動(dòng)解決方案，可應(yīng)用于智能手機(jī)、AR/VR、穿戴設(shè)備、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。值得注意的是，該公司開(kāi)發(fā)了一款基于形狀記憶合金（SMA）馬達(dá)的微型電機(jī)，特點(diǎn)是高精度、高強(qiáng)度、緊湊且輕巧?？捎脕?lái)開(kāi)發(fā)各種電子產(chǎn)品，比如自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)、觸覺(jué)反饋技術(shù)、面部識(shí)別、AR、3D傳感。

其技術(shù)常見(jiàn)于一些手機(jī)的攝像頭中（比如華為、魅族），特點(diǎn)是支持OIS（光學(xué)防抖）和自動(dòng)對(duì)焦功能，此外還可以開(kāi)發(fā)成屏下攝像頭。

關(guān)于poLight

該公司研發(fā)了基于壓電MEMS的可調(diào)光學(xué)方案：TLens，該方案的特點(diǎn)是可模擬人眼成像原理，可為攝像頭帶來(lái)即時(shí)自動(dòng)對(duì)焦、全景對(duì)焦、恒定視場(chǎng)角選項(xiàng)等功能。據(jù)稱(chēng)，Tlens可用在手機(jī)的前置攝像頭中，自拍效果比基于音圈電機(jī)（VCM）自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)更好（速度更快、功耗更低、體積更?。４送?，Tlens也可以用作AR眼鏡的傳感器，或是用于智能手機(jī)等穿戴設(shè)備中。

poLight面向的應(yīng)用場(chǎng)景包括智能手機(jī)、可穿戴、工業(yè)、AR、醫(yī)療內(nèi)窺鏡、攝像頭。

什么是“光學(xué)微動(dòng)”

Guttag描述的“光學(xué)微動(dòng)”（Optics Micromovement）主要是AR/VR光學(xué)元件的微型驅(qū)動(dòng)裝置，這種裝置有多種用途，除了攝像頭的自動(dòng)對(duì)焦、光學(xué)防抖外，還可實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：

1）通過(guò)移動(dòng)顯示模組或光學(xué)元件來(lái)提高有效分辨率（超分辨率）；

2）動(dòng)態(tài)焦距調(diào)節(jié)，包括緩解VAC問(wèn)題；

3）對(duì)于VST相機(jī)，調(diào)節(jié)攝像頭焦點(diǎn)，與人眼焦點(diǎn)匹配；

4）對(duì)于SLAM相機(jī)，如果相機(jī)旋轉(zhuǎn)，可覆蓋更大區(qū)域并提高精度；

5）MicroLED像素位移技術(shù)，或用于平均像素亮度，緩解壞點(diǎn)或弱點(diǎn)像素；單色像素轉(zhuǎn)移至全色像素（類(lèi)似Porotech），以及像素切換時(shí)可能的更高分辨率優(yōu)勢(shì)。

值得注意的是，Meta Reality Labs也在研發(fā)AR/VR動(dòng)態(tài)調(diào)焦技術(shù)，采用的是液晶透鏡方案。市面上也有多家提供可調(diào)焦液晶透鏡的公司，比如FlexEnable、DeepOptics等等。

在AR/VR中的應(yīng)用

此前，poLight和CML技術(shù)的一大應(yīng)用場(chǎng)景是手機(jī)，主要用于手機(jī)攝像頭的自動(dòng)對(duì)焦和光學(xué)防抖功能。此外，基于poLight和CML技術(shù)打造的攝像頭也可以用于AR/VR頭顯。比如，poLight的TLens方案就已應(yīng)用于ML2頭顯和夏普VR頭顯原型（曾在CES 2023上展示）。

除了相機(jī)外，這兩家公司的技術(shù)還可以用于AR/VR的其他領(lǐng)域，接下來(lái)我們從它們的原理來(lái)分別分析。

CML技術(shù)原理

CML的業(yè)務(wù)是為客戶定制基于SMA材質(zhì)的微型組件，這些組件可用于驅(qū)動(dòng)光學(xué)元件或物體。據(jù)稱(chēng)，單根SMA金屬絲的尺寸細(xì)如發(fā)絲，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)的控制（光波長(zhǎng)等級(jí)），以及足夠大的拉力，可開(kāi)發(fā)出微型尺寸的電子設(shè)備。

在通電后，SMA細(xì)絲會(huì)受熱收縮，而它的收縮和松弛動(dòng)作，會(huì)觸發(fā)旁邊的彈簧結(jié)構(gòu)而引起電子元件運(yùn)動(dòng)。若將多根SMA細(xì)絲組成各種不同的結(jié)構(gòu)，還能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。除此之外，SMA線材的另一個(gè)特點(diǎn)是在受熱收縮時(shí)，線材也會(huì)變短變粗，從而減少電阻力。因此，CML將這種電阻變化特性，作為閉環(huán)控制的反饋信息。

在一個(gè)案例中，CML將4組SMA驅(qū)動(dòng)固定在傳感器的底座上，這些細(xì)絲驅(qū)動(dòng)可在水平、垂直方向上運(yùn)動(dòng)，還可以旋轉(zhuǎn)，因此能夠微調(diào)傳感器的位置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)校正。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于，速度快、可細(xì)致調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)非常輕薄。

此外，如果將8組SMA細(xì)絲放置在底座四邊（每條邊有兩個(gè)交叉的細(xì)絲），那么便可以在X、Y、Z三個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，或做出俯仰角（圍繞X軸旋轉(zhuǎn)）、偏航角（圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)）等動(dòng)作。而結(jié)合不同的細(xì)線結(jié)構(gòu)、彈簧、杠桿和棘輪機(jī)制，還可以實(shí)現(xiàn)更多種不同的運(yùn)動(dòng)。

右圖：5軸方案支持翻滾角運(yùn)動(dòng)（圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)）

值得注意的是，CML為了節(jié)省SMA元件的功耗，還研發(fā)了一種名為“零保持功率”的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是僅在需要移動(dòng)光學(xué)元件時(shí)供電，未來(lái)在AR頭顯中比較有用，比如可根據(jù)光學(xué)元件的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變焦。

除此之外，目前該SMA方案還需要解決有效載荷量和響應(yīng)速度的問(wèn)題。CML預(yù)計(jì)，在連續(xù)的像素移動(dòng)時(shí)，其方案在接入大約20mA的電流時(shí)，電壓低于3.2V。

poLight原理

poLight的TLens方案采用玻璃和聚合物薄膜，具體原理是使用壓電致動(dòng)器，將玻璃膜彎曲，并與高透光、折射率匹配的聚合物薄膜集成。這種彎曲過(guò)程改變了透鏡的焦點(diǎn)，盡可能模擬人眼對(duì)焦的方式。簡(jiǎn)單來(lái)講，該方案由一層可變形玻璃膜、一層透鏡背板組成，二者之間為光學(xué)級(jí)別的柔性聚合物，在玻璃膜和背板兩頭，各有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，用于調(diào)節(jié)玻璃膜的彎曲度（改變焦點(diǎn)），以及背板的傾斜角度（用于移動(dòng)OIS圖像）。這樣一來(lái)，便可模擬人眼動(dòng)態(tài)聚焦的效果。

除了單獨(dú)使用外，TLens還可以和其他光學(xué)元件結(jié)合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)OIS和自動(dòng)對(duì)焦。poLight還指出，通過(guò)傾斜平面背板透鏡，可從光學(xué)上移動(dòng)像素，從而為MicroLED帶來(lái)超分辨率效果（像素位移）。

不過(guò)，poLight的驅(qū)動(dòng)器需要高達(dá)50V電壓，但高電壓意味著高功耗，需要的組件也更多。因此，該公司推出了一個(gè)配套的ASIC驅(qū)動(dòng)（型號(hào)為PD50），其內(nèi)置降EMI功能，可最大限度減少外部組件（因?yàn)橹恍枰獠侩娙葚?fù)載），并且將功率/電流消耗保持在非常低的水平。也就是說(shuō)，TLens方案的總功率小于6mW，光學(xué)設(shè)備部分幾乎不耗電，主要耗電轉(zhuǎn)移到了ASIC驅(qū)動(dòng)上。

poLight表示：TLens的透光度約94%，其前部光圈的直徑只有2毫米多，雖然對(duì)小型傳感器（比如智能手機(jī)相機(jī)）來(lái)講足夠大，但應(yīng)用在AR/VR時(shí)，光圈大小和光學(xué)變化量依然受到限制。

總結(jié)

Guttag認(rèn)為，未來(lái)AR/VR頭顯需要?jiǎng)討B(tài)移動(dòng)的光學(xué)元件，至少要實(shí)現(xiàn)攝像頭自動(dòng)對(duì)焦、顯示模組動(dòng)態(tài)變焦等等。總之，可移動(dòng)/可改變的光學(xué)元件將在AR/VR系統(tǒng)中有很多用途。對(duì)比poLight方案，CML的方案適合的移動(dòng)范圍和類(lèi)型更廣泛，甚至可支持VR動(dòng)態(tài)變焦所用到的大透鏡，而poLight似乎在體積上更具優(yōu)勢(shì)，適用于小型相機(jī)等元件。參考：KarlGuttag