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| 本文作者： 李詩(shī) | 2018-03-19 16:29 |
在近來虛擬現(xiàn)實(shí)風(fēng)投聯(lián)盟（VRVCA）發(fā)布的報(bào)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(zhǎng)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(bào)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(cái)富基金4億美元投資。從2014年至今已經(jīng)累計(jì)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(gè)主要原因：首先因?yàn)槠湔驹贏R眼鏡的風(fēng)口上，其次由于其宣稱采用空間計(jì)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(yàn)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(chǎng)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(shí)世界中。Magic Leap一開始宣告他們采用了光纖掃描光場(chǎng)顯示技術(shù)（FSD）、光子光場(chǎng)（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(chǎng)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(guó)專利商標(biāo)局公布了多個(gè)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(guó)內(nèi)光學(xué)顯示相關(guān)專業(yè)人士來進(jìn)行全面解讀。以下分析來自——靈犀微光高級(jí)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(fèi)級(jí)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(guó)千萬級(jí)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(dòng)物視頻的神奇公司，在近期還是有不少進(jìn)展。比如說從“虛擬版”大鯊魚跳出籃球場(chǎng)地面，進(jìn)階到“現(xiàn)實(shí)版”馳騁籃球場(chǎng)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(jìn)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(duì)不同波段的光線進(jìn)行處理，讓三色的光線分別進(jìn)入三層波導(dǎo)中。
同時(shí)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(kuò)展和最終的產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)，甚至連鏡腿可以彎曲都寫了進(jìn)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(shí)申請(qǐng)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(dú)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(huì)在不同層中顯示不同距離的畫面，實(shí)現(xiàn)深度感。換句話說，這是一種偽光場(chǎng)效果，是介于平面顯示和光場(chǎng)顯示之間的一種樸素地實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)真正意義上的光場(chǎng)效果。他們?cè)谧隽硕嗄暌曨l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(duì)HoloLens的技術(shù)專利US9372347中的表述。對(duì)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(gè)圓形的耦入?yún)^(qū)域耦入，而后分配給扇形的擴(kuò)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(jì)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(duì)光線的引導(dǎo)和傳遞，從而達(dá)到擴(kuò)展出瞳的目的。
從以色列增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(yáng)光大，再到上個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)陣營(yíng)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(chǎng)技術(shù)
所謂場(chǎng)，就是將光線以場(chǎng)的形式記錄下來，使得最終能夠還原場(chǎng)景任意位置的任意光線信息的一種模式。從效果上講，光場(chǎng)技術(shù)實(shí)際上是一種記錄和重現(xiàn)真實(shí)而完備的3D場(chǎng)景的過程。
如何才能記錄一個(gè)場(chǎng)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(jī)。
大家應(yīng)該能想起來《黑客帝國(guó)》里Neo后仰躲子彈的場(chǎng)景，有那么一個(gè)瞬間，似乎時(shí)間暫停，飛翔的子彈和雨滴都停止了運(yùn)動(dòng)，鏡頭在這個(gè)時(shí)間暫停的場(chǎng)景中轉(zhuǎn)了一個(gè)角度?！皶r(shí)間暫?！钡倪@個(gè)瞬間的這些幀圖片，便是用排成一排的攝影機(jī)同時(shí)記錄同一個(gè)時(shí)刻的信息，最終把同一時(shí)刻的不同角度的畫面先后排列而形成的“時(shí)間暫?！钡乃矔r(shí)立體光場(chǎng)效果。
在電影術(shù)語里，這種方法叫Bullet Time（中文譯作“子彈時(shí)間”），算是一種樸素的光場(chǎng)拍攝，在動(dòng)物世界里有很多場(chǎng)景也應(yīng)用了這種拍攝手段。
這僅僅是增加了一個(gè)維度的信息采集，如果變成更完備的光場(chǎng)采集，那就需要下面這樣的相機(jī)陣列：
想象一下，每一臺(tái)相機(jī)采集的視頻都存儲(chǔ)并再現(xiàn)出來的時(shí)候，觀察者便可以挑選任意相機(jī)的視角去看所記錄的場(chǎng)景，便有了一種3D場(chǎng)景的全再現(xiàn)的效果。
2. 光纖掃描成像
光纖掃描成像其實(shí)是光場(chǎng)再現(xiàn)技術(shù)的一種。光場(chǎng)再現(xiàn)和光場(chǎng)記錄是逆向過程，需要將記錄光場(chǎng)的陣列相機(jī)模型反過來。再現(xiàn)光場(chǎng)效果所需要的設(shè)備就是陣列顯示設(shè)備，陣列的每一個(gè)單元都需要能夠顯示從某一個(gè)角度觀察的畫面的全部信息，對(duì)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(chǎng)的顯示器從信息量來看，相當(dāng)于在2D顯示器的每一個(gè)像素點(diǎn)上承載整個(gè)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(gè)像素點(diǎn)大的空間內(nèi)，因此實(shí)現(xiàn)起來難度會(huì)很大。
Magic Leap的光纖掃描技術(shù)便是用光纖來做一個(gè)像素點(diǎn)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(chǎng)再現(xiàn)顯示器的一個(gè)“像素點(diǎn)”，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(chǎng)再現(xiàn)顯示器所有的“像素點(diǎn)”。
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(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)。從投影模塊到人眼的過程中，需要光波導(dǎo)進(jìn)行耦入、傳導(dǎo)和耦出，最終呈現(xiàn)在人眼前的是一個(gè)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(shì)，同時(shí)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(gè)場(chǎng)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(chǎng)技術(shù)所許諾的。但我們往往容易低估一項(xiàng)新的技術(shù)誕生到成熟的周期，經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)的光場(chǎng)技術(shù)依然不具備產(chǎn)品化的條件。這個(gè)行業(yè)的先驅(qū)Magic Leap選擇回歸產(chǎn)品，從消費(fèi)級(jí)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(shí)現(xiàn)相對(duì)輕便、又擁有多深度顯示的Magic Leap One。
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