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| 本文作者： 李詩 | 2018-03-19 16:29 |
在近來虛擬現(xiàn)實風(fēng)投聯(lián)盟（VRVCA）發(fā)布的報告顯示，2017年，VR/AR全球投資總額達(dá)到30億美元新高，較過去兩年增長超過250%。值得注意的是，少數(shù)幾家公司獲得的融資占據(jù)了整體的較大比例。雷鋒網(wǎng)曾報道，Magic Leap在2017年獲得淡馬錫控股領(lǐng)投的5.02億美元，2018年初獲得沙特主權(quán)財富基金4億美元投資。從2014年至今已經(jīng)累計獲得近23億美元。
在雷鋒網(wǎng)看來，Magic Leap屢屢獲得巨額融資，有兩個主要原因：首先因為其站在AR眼鏡的風(fēng)口上，其次由于其宣稱采用空間計算、光學(xué)顯示等前沿黑科技。
Magic Leap籌備六年，前期看來其全靠視頻宣傳“騙取”融資，終于在2017年底發(fā)布其AR眼鏡產(chǎn)品——Magic Leap One創(chuàng)造者版本。滾石記者在體驗后稱，ML One顯示的虛擬物體不透明，能遮擋物體，還沒有顆粒感。這可以碾壓目前幾乎所有AR眼鏡。
Magic Leap官方描述稱：我們的光場光子產(chǎn)生不同深度的數(shù)字光，并與自然光無縫融合，從而將逼真的虛擬物體疊加至真實世界中。Magic Leap一開始宣告他們采用了光纖掃描光場顯示技術(shù)（FSD）、光子光場（通過聚焦/深度平面解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突）、以及被稱為“光場芯片”的衍射波導(dǎo)。這些技術(shù)Magic Leap一直秘而不宣，業(yè)內(nèi)人士也少有知情者。
3月2日，美國專利商標(biāo)局公布了多個來自Magic Leap的專利文件，包括Magic Leap的外形結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)方法和波導(dǎo)顯示器原理。我們終于得以一窺Magic Leap最神秘的光學(xué)顯示技術(shù)。
在看到專利后，雷鋒網(wǎng)特意聯(lián)系國內(nèi)光學(xué)顯示相關(guān)專業(yè)人士來進行全面解讀。以下分析來自——靈犀微光高級光學(xué)工程師小康，雷鋒網(wǎng)做了不改變其原意的編輯。靈犀微光為消費級AR提供關(guān)鍵底層技術(shù)，聚焦AR設(shè)備的瓶頸技術(shù)——光學(xué)顯示，主攻AR產(chǎn)品中的核心器件光學(xué)引擎。去年12月，靈犀微光獲紅杉中國千萬級A輪融資。此前，靈犀微光曾參與雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)公開課，講解《從離軸光學(xué)到光波導(dǎo)技術(shù)：詳解AR顯示的過去和未來》）
Magic Leap, 這家做了多年海洋動物視頻的神奇公司，在近期還是有不少進展。比如說從“虛擬版”大鯊魚跳出籃球場地面，進階到“現(xiàn)實版”馳騁籃球場的“真·大鯊魚”奧尼爾代言其最新產(chǎn)品Magic Leap One，宣傳路徑看上去一脈相承。然而在技術(shù)層面，Magic Leap多次改變技術(shù)方向，Magic Leap最近公布的專利US2018/0052277全部20條權(quán)利要求自始至終都圍繞著平面光波導(dǎo)來處理近眼顯示系統(tǒng)的光學(xué)問題，并未使用先前宣稱的光纖掃描技術(shù)。
專利顯示，設(shè)備借助三層波導(dǎo)進行光線傳播，而波導(dǎo)表面則是包括多層鍍膜、超表面或者體全息波導(dǎo)等技術(shù)來對不同波段的光線進行處理，讓三色的光線分別進入三層波導(dǎo)中。
同時通過光柵來使每一層波導(dǎo)中的光線一部分耦出波導(dǎo)傳向人眼，一部分在波導(dǎo)內(nèi)繼續(xù)折疊傳播。
每層波導(dǎo)包含不同可重疊區(qū)域，用于傳遞光線以及耦出。如下圖X所示：
（圖X，以下圖片均來自Magic Leap專利文件）
再來看這篇專利說明書全文，幾乎把Magic Leap的新產(chǎn)品從頭到尾講了一遍，包括圖像投影顯示、光波導(dǎo)耦入/耦出、出瞳擴展和最終的產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計，甚至連鏡腿可以彎曲都寫了進來，但其權(quán)利要求書卻只講了平面光波導(dǎo)的應(yīng)用這部分，這說明Magic Leap可能存在有多篇同時申請的專利，共用同樣一份專利說明書，更多的權(quán)利要求可能還在未公布的專利中。
從專利說明書的細(xì)節(jié)里不難發(fā)現(xiàn)，Magic Leap這篇專利中唯獨和先前宣傳相照應(yīng)的是，多層光波導(dǎo)不僅限于顏色分層，還會在不同層中顯示不同距離的畫面，實現(xiàn)深度感。換句話說，這是一種偽光場效果，是介于平面顯示和光場顯示之間的一種樸素地實現(xiàn)深度信息的一種方式。如下圖所示：
在耦入方面，Magic Leap使用的是傳統(tǒng)顯示模組。
用三色光源（圖中8705）照射的反射式顯示器（圖中8707，比如LCOS），通過PBS（圖中8710）投影到透鏡組（圖中8715）中，上右圖為實際的光路示意。
至此可以明確的是，Magic Leap在新產(chǎn)品中既沒有使用先前傳言的光纖掃描成像技術(shù)，也沒有實現(xiàn)真正意義上的光場效果。他們在做了多年視頻工作以后，終于投入了光波導(dǎo)的懷抱。
專利中的描述和圖片表達(dá)像極了Microsoft對HoloLens的技術(shù)專利US9372347中的表述。對比圖X和圖Y，我們能清晰地發(fā)現(xiàn)Magic Leap的光波導(dǎo)鏡片和Microsoft的光波導(dǎo)鏡片形狀幾乎都一樣：光線都是從一個圓形的耦入?yún)^(qū)域耦入，而后分配給扇形的擴展出瞳區(qū)域，最終由方形的耦出區(qū)域耦出到人眼中。
（圖Y，來自HoloLens專利文件）
再來說說其中的不同：Magic Leap在其專利的權(quán)利要求書側(cè)重于耦入光線的分離和分別傳送，即多層光波導(dǎo)片之間的關(guān)聯(lián)部分（膜層或者表面處理）的設(shè)計和制造（用于按照需求從耦入的光線中分離出）；而Microsoft在其專利的權(quán)利要求書中的側(cè)重則在于單層光波導(dǎo)中全息光柵對光線的引導(dǎo)和傳遞，從而達(dá)到擴展出瞳的目的。
從以色列增強現(xiàn)實公司Lumus開始做陣列光波導(dǎo)，到Microsoft繼續(xù)使用全息光柵將光波導(dǎo)方案發(fā)揚光大，再到上個月爆出蘋果未來光波導(dǎo)方案的專利，現(xiàn)在看來，Magic Leap也算是用旁敲側(cè)擊的方式從平面光波導(dǎo)的專利大集合中切了一塊蛋糕。至此，在增強現(xiàn)實陣營中，巨頭們都紛紛選擇了光波導(dǎo)方案，殊途同歸。隨著多年技術(shù)挖掘，光波導(dǎo)領(lǐng)域的技術(shù)和專利局面已經(jīng)成型。
1. 光場技術(shù)
所謂場，就是將光線以場的形式記錄下來，使得最終能夠還原場景任意位置的任意光線信息的一種模式。從效果上講，光場技術(shù)實際上是一種記錄和重現(xiàn)真實而完備的3D場景的過程。
如何才能記錄一個場景下所有的光線信息呢？有一種比較老套的手段就是用許多照相機。
大家應(yīng)該能想起來《黑客帝國》里Neo后仰躲子彈的場景，有那么一個瞬間，似乎時間暫停，飛翔的子彈和雨滴都停止了運動，鏡頭在這個時間暫停的場景中轉(zhuǎn)了一個角度。“時間暫停”的這個瞬間的這些幀圖片，便是用排成一排的攝影機同時記錄同一個時刻的信息，最終把同一時刻的不同角度的畫面先后排列而形成的“時間暫停”的瞬時立體光場效果。
在電影術(shù)語里，這種方法叫Bullet Time（中文譯作“子彈時間”），算是一種樸素的光場拍攝，在動物世界里有很多場景也應(yīng)用了這種拍攝手段。
這僅僅是增加了一個維度的信息采集，如果變成更完備的光場采集，那就需要下面這樣的相機陣列：
想象一下，每一臺相機采集的視頻都存儲并再現(xiàn)出來的時候，觀察者便可以挑選任意相機的視角去看所記錄的場景，便有了一種3D場景的全再現(xiàn)的效果。
2. 光纖掃描成像
光纖掃描成像其實是光場再現(xiàn)技術(shù)的一種。光場再現(xiàn)和光場記錄是逆向過程，需要將記錄光場的陣列相機模型反過來。再現(xiàn)光場效果所需要的設(shè)備就是陣列顯示設(shè)備，陣列的每一個單元都需要能夠顯示從某一個角度觀察的畫面的全部信息，對于不同視角的觀察者，還需要顯示出不同的像素內(nèi)容。相比傳統(tǒng)2D顯示器，再現(xiàn)光場的顯示器從信息量來看，相當(dāng)于在2D顯示器的每一個像素點上承載整個畫面的分辨率的內(nèi)容，而這樣的顯示設(shè)備沒有辦法真正集成在2D顯示器一個像素點大的空間內(nèi)，因此實現(xiàn)起來難度會很大。
Magic Leap的光纖掃描技術(shù)便是用光纖來做一個像素點的投影，通過光纖頭的微透鏡把一幅畫面的圖像信息投射出來，作為光場再現(xiàn)顯示器的一個“像素點”，然后通過光纖頭的掃描，就像顯像管的電子束掃描一樣，掃出光場再現(xiàn)顯示器所有的“像素點”。
3. 光波導(dǎo)技術(shù)
光波導(dǎo)技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的增強現(xiàn)實顯示技術(shù)。從投影模塊到人眼的過程中，需要光波導(dǎo)進行耦入、傳導(dǎo)和耦出，最終呈現(xiàn)在人眼前的是一個透明鏡片透射出來的圖像，與偏振分光棱鏡相比，有其輕量化的優(yōu)勢，同時可以通過多層疊加的方式顯示不同深度的信息。
完全還原一個場景中的所有光線信息，是我們所能想到最完美的顯示技術(shù)，這也是光場技術(shù)所許諾的。但我們往往容易低估一項新的技術(shù)誕生到成熟的周期，經(jīng)過一系列實驗的光場技術(shù)依然不具備產(chǎn)品化的條件。這個行業(yè)的先驅(qū)Magic Leap選擇回歸產(chǎn)品，從消費級AR眼鏡最基本的需求出發(fā)，用多層疊加光波導(dǎo)的技術(shù)實現(xiàn)相對輕便、又擁有多深度顯示的Magic Leap One。
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