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10年前的这项军用技术,成为未来智能眼镜的基石!

来源:中国网            发布时间:2017-05-09

       在智能眼镜或AR眼镜中尤为重要的是其近眼光学。增强现实主要实现的是将数字信息叠加在现实环境中,并实现交互,因此光学领域的进展往往影响着智能眼镜及AR眼镜的发展。一般而言,镜片上每个区域都同时会有内部叠加信息的光线以及现实世界的光线穿过,内部信息通过反射进入,而外部信息则通过折射进入。为更好地呈现画面效果,这就需要对光线有所筛选,相关技术则应运而生。

 

棱镜技术

 

在自然环境中,太阳光在所有方向振动分布均匀,称之为自然光。而偏振光是指振动分布不均匀的光。(如下图,可以简单视为圆形与椭圆形)在实际操作中,利用光的偏振属性,在特定表面镀上特殊膜层,能够使得光线区分开来。而在光学中,则采用偏振分光棱镜将其进行区分,究其实质,不过是镀了这种膜层的立方体玻璃块。

最为常见的事例,当属谷歌Glass智能眼镜。侧面伸出的位于眼前的玻璃块,用于把微显示器投影的信息通过偏振分光膜反射到人眼中,外界光线的一半也会以相同光路进入人眼,进而叠加实现增强现实。目前已经走出台湾的奇景光电公司,能够提供组合光学单元,容纳两块LCoS显示屏以及棱镜光学。

但是棱镜技术会造成的问题是想要更大显示区域就不得不接受更厚的玻璃块。棱镜技术通常会把显示区域的尺寸限制在大约 1cm×1cm 的范围内。此外并不会对范围外的光线产生足够好的分光效果,最终视角也就被限定在15度。而诸如谷歌Glass,在斜上角落的显示屏会导致斜眼的可能。

 

波导技术

 

光学上常用到的原理是,将两块能够折射90度光线的棱镜分别设置在每一边,在这个配置中能够实现180度的图像折射。此外,两块棱镜也能够抵消此前的行为,使光线继续按此前的方向发射。在波导技术中,也采用到了相关原理。但其实波导并非新技术,波导透镜采用了单向光波的特性来引导光波穿过透镜或者平面(平面波导),并实现从一端到另一端。

而在该领域较为知名的当属Lumus光学。它也在最近成为了Daqri和Atheer的双方的OEM厂商。谷歌和索尼两者都有着实质上与波导设计相似的知识产权。而一系列的波导联合研究也正在进行中,比如HiMax和法国的Optivent;HiMax和Lumus;Lumus和法国的Essilor等。

 

表面浮雕波导

 

将棱镜缩小到非常小的规模,并使之延长,再将其镌刻在透镜表面,这是更为复杂的波导设计。这些微小凸起(micro-ridges)常因“表面浮雕”(surface relief)波导而被提及。图像实质上被切割成一系列垂直的条纹,并通过透镜末端相应的微小凸起重新组合,呈现在人眼前。

该技术由诺基亚获得专利并首次实现了商业化。而微软HoloLens采用的正是诺基亚的相关波导技术,并做出了部分改进。诺基亚的专利著名是因为它已经被证明能够用于大批量生产。不仅如此,除HoloLens之外,诺基亚将其设计授权给了Vuzix——一家由英特尔投资的公司,并在工厂中制造他们的波导产品,出售给中国企业市场。这也表明诺基亚的设计不仅可以大规模生产,其制造业也达成一定规模。

而其他波导技术均纷纷受到表面浮雕设计的启发。芬兰的Dispelix公司不仅生产了表面浮雕波导,他们也在制造过程中做出了标志性的贡献。除了雕刻技术与诺基亚的表面浮雕波导相似,Dispelix展示了通过一个增添的工序,微小凸起也能够被创造,能够在透镜上“打印”这个微小凸起。

 

全息波导

 

“全息波导”中的“全息图”并非指穿戴者在眼前看到的图像,而是那些由纳米全息图构成的透镜内部的光学。想象你在信用卡上看到的全息图。全息图裸露于粘附着反射支持的薄膜上(信用卡下的反射表面,全息图在这对其进行照明,而全息图本身位于前面。)

全息波导,利用了相似的技术——暴露在激光下的薄膜光敏聚合物嵌入镜像光学纳米全息图,并嵌入到透镜之中,进而取代了传统波导中的棱镜的角色。大部分与此前相同,微型显示器投射进入透镜的一端,全息图光学转变光线,引导单向光波穿过表面,另一组则将光线投向人的眼睛。而DigiLens几乎在十年前为美国军队创建航空HUD系统时便完善了该技术。

目前全息波导光学队伍正在壮大,包括:TruLife和WaveOptics,二者都在英国。还有最近的科罗拉多的Akonia Holographic。Akonia此前花了十年时间,在并不成功的全息存储上投入了1亿美元。这三家公司似乎都已经在实验室环境中进行了展示,而设计却与2010年Digilens生产产品相似。

但是DigiLens持续着革新。此前提到的波导设计仍然是“被动的”透镜。被动是指透镜本身并没有电子元件,它们单纯的通过微型显示屏接收光线投射,被动的通过透镜改变光线,并将其投射入使用者的双眼。

 

积极的全息波导

 

DigiLens有着“积极”的全息波导。采用建立于薄膜聚合物的液晶,DigiLens波导内全息镜像光学有能力改变状态,当电流通过时会显得有活性。但DigiLens一直在军事领域发展,从最初的军事显示屏,到喷气式飞机的仪表安装波导显示屏。他们的第一款消费者产品,是为宝马而生产的智能头盔的显示屏,将在今年晚些时间出货。

此外,上述所有提到的波导技术都被限于一个平坦的表面。但今年早些时候DigLens宣布他们能够应用他们积极的全息波导技术进入弯曲的透镜,这意味着他们能够应用于普通的眼镜穿戴。而在采访中,他们也表示正致力于使该技术适用于镜头内部,采用与波导显示相似的技术,他们运行了一个摄像头,在相似的极薄的外形中来实现眼动追踪。

Magic Leap试图通过多层波导实现光场显示。而DigiLens在现有设计中已经采用多层波导技术——将红色光谱分离出来进入自己的波导,顶部层次则是蓝绿波导。此外,DigiLens利用重叠波导来扩展视野。而尚未采用多层波导实施光场显示,仅在于他们客户尚未提出要求。

Digilens在该领域可能至少领先其他波导OEM厂商七年时间。为军方制作的内容可能需要保密。但是美军建造的HUD,一定采用的是DigiLens的显示屏。这家最近融资2200万美元的公司无疑值得关注。

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