Karl Guttag从AWE 2022光学技术展示看未来AR趋势

相比于市面上的各类AR光学方案，现阶段光波导技术更受行业关注。近期，Karl Guttag在接受VR博主SadlyItsBradley采访时就表示：我习惯将显示技术分为两种级别，一种是适合光波导，另外一种不适合光波导。他继续解释道，光波导会将光线高度集中并对准一个很小的孔，这种光学设计不适合OLED。如果将OLED作为光波导的光源，可能亮度都不到1 nit，在昏暗的环境才能看到图像。

在今年AWE 2022展区，Guttag体验到了一些有趣的光波导和光学引擎方案，在这次采访中他也一个一个地表达了自己的观点。

LCoS/DLP 光波导方案

WaveOptics被Snap收购之前，推出的光学方案主要由光波导和DLP光源组成。而目前，WaveOptics、Dispelix等AR光波导厂商，开始研发光波导和LCoS的组合方案。据悉，Snap除了收购WaveOptics外，还收购了Compound Photonics，这家公司曾开发LCoS显示技术，号称可实现更高的配置，不过成本高，一直未正式发售产品。Guttag指出，Compound Photonics采用的硅基背板制造复杂，也许不适合制造LCoS，如果生产MicroLED也许更有优势。

Guttag表示：不过，很多人不看好LCoS。但相比于DLP，LCoS的优势是分辨率可以更高、成本更低、更容易制造，而且货源更广，供应商包括德州仪器等公司。

相比于MicroLED，LCoS可以在小体积光学引擎中实现更大视场角（50°-70°）、更高的分辨率。

目前，一些创新的LCoS引擎方案包括：Avegant、Lumus Maximus、DigiLens、Magic Leap 2等等。其中，Lumus在今年推出的Maximus二维扩瞳光波导在此前的一维扩瞳方案上进行升级，在垂直和水平两个方向投射光线，好处是光学引擎可做到更小。

DigiLens采用了比较传统的方案，包含了传统的合色棱镜方案，其中包含了光路和分束器路径，光线通过分束器进入、离开LCoS后，会进入投影模组。相比于传统LCoS，MicroLED、OLED的光路更短，硬件结构更简单。

为了进一步缩小LCoS体积，Avegant等厂家想出了一些创新的方案，比如将LED组合并排成一排，将光路折叠，并射入投影模组，好处是光学引擎的结构更紧凑。而Magic Leap 2则是取消了分束器，采用圆偏振器（加入四分之一波片薄膜的线性偏光片），将LCoS面板放在偏振器之间，直接将光路通过RGB光波导。此外，Magic Leap 2的投影模组可二次利用，一次是发光，另一次是投影。

Lumus采用了一种叫光导管积分器的技术，可实现每瓦4000 nit亮度，光学效率足够高。相比之下，Nreal AR眼镜的亮度仅120流明/瓦。

Guttag表示：LCoS最大的特点就是入瞳区域足够小，光线足够集中。如果你想开发一款20°-30°视场角的AR眼镜，可以直接使用LCoS光源，无需MicroLED。长期来看，即使MicroLED等AR显示技术进一步发展，LCoS也依然有合适的应用场景。比如，传闻Meta就在研发一种显示数字信息的AR眼镜。

DigiLens此前推出了多款可靠的DLP方案，而现在也开始设计LCoS方案。Avegant在光学方面有长期探索，此前曾开发VR头显，以及光场相关的技术，而近年来则开始探索LCoS技术，认为LCoS方案可以做到像MicroLED、LBS光学引擎那样小的体积，同时性价比更高。

Avegant研发了多款LCoS引擎，搭配光波导后可分别实现30°、50°视场角，视场角更大的引擎尺寸更大，但结合广角透镜可缩短光路，整体更紧凑。实际上，Avegant的LCoS尺寸比North Focals的LBS引擎小很多，但视场角却是Focals的两倍，眼动范围也更大。目前，Avegant与Dispelix合作研发了一款分体式AR眼镜原型，采用了向前下方投影的方式。

此外在AWE 2022期间，DigiLens展示了一款2000 nit亮度、30° FOV的LCoS引擎，目前该产品还没有可运行的原型设备，接下来可能会设计成套的方案。

光波导向前投影的优缺点

我们知道，HoloLens 1/2在运行时，周围的人可以看到其遮光罩下面明显的彩虹效应，这是由于光学系统向前投影时产生漏光而造成的结果，由被称为“发光眼效应”。解决方法之一，是在镜片上加入图层，缺点是成本高、制造复杂。

拿HoloLens的衍射光波导为例，这种光学系统通常有将50%光射入人眼，另外50%则是向前投影。Guttag表示：采用效应在衍射光波导中比较常见，Spectacles、Vuzix、HoloLens都有这个问题。

Avegant将彩虹效应控制的足够好，漏光率只有1%，外观看起来没有明显的色彩。这是因为，Avegant的LCoS技术一方面限制了射出的光线，另一方面将向前投影改为向下。

为解决漏光问题，Dispelix和DigiLens重新设计了光学系统，比如通过改变投影模组和光波导的角度，或是优化光栅。也就是一定程度上改变光路，将光线输出角度从向前变成向下或两侧。

LBS扫描

原理：用微镜快速扫描一系列激光，来形成图像，频率至少60次/秒，否则容易产生画面闪烁。由于扫描速度在不断变化，AR的亮度也会随之变化，因此需要调节光线来实现统一性。

尽管一些厂商利用LBS引擎开发轻量化AR眼镜，但实际上LBS存在许多问题，比如不够实用，缺少眼动范围和扩瞳，因此激光显示的容错率低，很可能没有进入人眼而是反射到鼻子等位置。也就是说，假如AR眼镜的位置抖动或偏移，就比较难定位你的眼球，那么你就看不到AR图像。这也是什么North Focals需要为用户量身定制。

此前，一家叫EyeWay的公司则是通过眼球追踪来实时调节激光摄入瞳孔的位置，但这又带来新的问题，比如：眼球跳动时，AR图像是否该跟随眼球移动，还是固定位置。实际上，Mojo Vision也存在类似的问题。Guttag认为，即使解决这些问题，也可能还需要10-20年相关产品才会问世。

相比之下，光波导具备扩瞳和眼动范围，即使眼球没有与AR眼镜对准，也能看到AR图像。

另外，LBS为非线性扫描，它的根本问题是扫描速度不够快，而且存在图像扭曲。Guttag表示：我还从来没见到过任何LBS系统的实际分辨率超过宣称的四分之一。

LCoS和光波导厂商VitreaLab

在采访中，Guttag提到了一家在AWE2022展台发现的一家AR光学公司VitreaLab，这家公司展示了一套比较特别的LCoS方案，即将激光作为光源，而不是漫射器。Guttag表示：理想的LCoS方案应该通过激光来点亮，好处是光学效率高、光线高度准直，缺点是可能出现色斑等问题。

LaSAR联盟

微镜、传感器制造商STMicroelectronics（意法半导体）牵头成立了AR激光扫描联盟（LaSAR）。Guttag认为，企业以同样的目的建立联盟，这种形式在行业中并不少见。LaSAR的矛盾是，尽管LaSAR有不少关键的AR光学厂商，但他们缺少制造AR眼镜终端的公司。但另一方面，如果有公司利用LBS技术来开发AR眼镜，那么这些公司可能也不需要建立联盟。

Guttag表示：我并不十分看好LBS光学技术，因为通常LBS产品的实际效果常常达不到宣称的水平，不管是耗电量、分辨率还是图像质量都不如预期。比如，HoloLens 2就是采用LBS显示模组，为了开发该技术微软投入了数亿美元，但实际的显示效果并不理想。

Oqmented

这是一家LBS显示方案商，也是LaSAR联盟成员。Oqmented的显示方案特点是仅采用一个自由移动的反射镜，以2D正弦波的规律移动。这种方案的缺点是图像亮度不统一，Guttag认为自由移动的微镜似乎更适合LiDAR传感方案，而不适合显示方案。

在AWE展区，Oqmented展示了与Dispelix合作开发的AR眼镜原型，Guttag在体验后发现分辨率、色彩质量并不高。

Luminit

这家公司将LBS技术与全息光波导结合，其原理是将全息图像作为某种倾斜的反射镜，将激光反射至人眼中。如果做成RGB显示系统，将需要三层全息图，效果有点像是衍射光波导，缺点是显示图像不够纯粹。

Luminit还展示了一个全息透镜原型方案，该方案将全息与曲面镜结合，采用LCoS光学引擎，原理是将光线通过漫射器放大，投射到更远的屏幕上。此外，还有一个定影膜方案，特点是可与平面透镜集成，将光线反射入人眼。

TruLife Optics

这家公司研发了一个曲面的全息光波导，以及一个适合激光扫描引擎的反射全息方案。该公司与Luxexcel合作，将塑料镜片与光波导进行封装。

全息光学的一大问题是，现阶段图像质量不如传统光学方案，色彩和亮度不均匀。

Luxexcel

未来，AR眼镜需要支持屈光调节才能满足近视眼等人群的需求。理想的情况，是在AR透镜集成屈光调节镜片，这将考验到AR光学的制造工艺。智能眼镜厂商tooz通过注射成型来制造AR透镜，这种方式成本很高，制作一个模型可能需要花费数万美元。而Luxexcel则是用3D打印塑料镜片，号称合作伙伴约20家，比如Lumus、WaveOptics等等。

Guttag认为，3D打印镜片工艺适合用来开发AR眼镜原型，可以更快速的为各种视力的用户制作AR眼镜。成本方面，短期来看比注射成型方案更有优势，但长期来看，产量增加后注射成型的单位成本会更低，3D打印需要的时间更久。

META Materials

为了构建AR/VR屈光镜片垂直解决方案，这家公司在2021年曾收购瑞士镜片厂商Interglass的资产和IP。Interglass使用玻璃来制造模型，好处是成本低，而且一些模型还可以重复利用，制造不同度数的镜片。镜片部分，则是采用支持紫外线固化的塑料，好处是更容易嵌入摄像头、传感器等微型装置。不过，Interglass采用的塑料不够耐用，更像是亚克力质感。

图注：在镜片中内嵌眼球追踪模组、LED光源

参考：KG

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