光學(xué)元件助你實(shí)現(xiàn)觸手可及的AR夢

微訪談：DigiLens創(chuàng)始人、董事長兼首席技術(shù)官Jonathan Waldern博士

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）以及擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）這些熱詞的流行，它們背后技術(shù)的春天也即將到來。這些技術(shù)可以令每個人的AR夢成為現(xiàn)實(shí)，取代智能手機(jī)成為下一次重大的人機(jī)交互革命，有望引爆消費(fèi)類市場。為此，很多公司紛紛投入大量資金開發(fā)相關(guān)技術(shù)所需要的構(gòu)建模塊。在這些模塊中，光學(xué)元件代表了AR頭戴設(shè)備中最具挑戰(zhàn)性的元件之一。Yole在幾個月前發(fā)布的《VR/AR/MR顯示及光學(xué)視覺系統(tǒng)-2018版》技術(shù)和市場分析報告中討論了這一主題，探討了VR/AR/MR設(shè)備的現(xiàn)狀和趨勢。該報告說明了要讓消費(fèi)者認(rèn)可并接受VR/AR/MR設(shè)備，還需要解決哪些挑戰(zhàn)。除了產(chǎn)品價格，時尚的外形至關(guān)重要。為了能夠提供造型優(yōu)美的外形，波導(dǎo)透鏡似乎顯然是最優(yōu)的選擇之一。在所有從事透鏡開發(fā)的公司中，目前主要有兩種競爭型技術(shù)：表面起伏光柵（Surface Relief Gratings，SRG）和全息元件。DigiLens是該行業(yè)的主要公司之一，該公司的AR透鏡采用了全息路線。Yole顯示技術(shù)和市場分析師Zine Bouhamri博士近期有幸采訪了DigiLens創(chuàng)始人、董事長兼首席技術(shù)官Jonathan Waldern博士，討論了該公司及整個行業(yè)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。Zine Bouhamri（以下簡稱ZB）：首先，請您介紹一下DigiLens及其業(yè)務(wù)。Jonathan Waldern（以下簡稱JW）：我在2003年基于我們的可切換布拉格光柵（Switchable Bragg Gratings）技術(shù)，以SBG Labs的名義創(chuàng)立了這家公司，后來在2015年更名為DigiLens。DigiLens的使命是成為下一代波導(dǎo)AR顯示器開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)者。我們相信DigiLens專有的納米材料、全息制造工藝和顯示參考設(shè)計，在波導(dǎo)顯示行業(yè)是獨(dú)一無二的。DigiLens向領(lǐng)先的波導(dǎo)光學(xué)制造商授權(quán)光學(xué)納米材料和全息印刷設(shè)備，以加速它們在汽車、軍事、航空和消費(fèi)電子領(lǐng)域的AR產(chǎn)品交付。DigiLens AR波導(dǎo)產(chǎn)品已經(jīng)從世界上首款航空航天應(yīng)用的商用波導(dǎo)HUD開始成功進(jìn)入市場，這款產(chǎn)品被稱為AeroHUD，已經(jīng)于2016年上市。DigiLens用于摩托車頭盔的MonoHUD單眼HUD將于2018年底投入生產(chǎn)。

DigiLens的MonoHUD充滿電可工作5小時，售價499美元，支持“智能頭盔”應(yīng)用

ZB：您能詳細(xì)介紹一下貴司的技術(shù)嗎？JW：DigiLens的專長是全息波導(dǎo)技術(shù)，目前是波導(dǎo)顯示領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。其他主要的競爭技術(shù)包括由微軟、Vuzix、Magic Leap和Wave Optics開發(fā)的表面浮雕光柵技術(shù)，以及由Lumus開發(fā)的Cascaded Mirrors技術(shù)。有別于微軟等形成復(fù)雜的表面浮雕結(jié)構(gòu)，和Lumus在波導(dǎo)中嵌入多涂層反射，DigiLens采用布拉格光柵打印成一種單體液晶混合物，形成薄而高透明的光柵，省去了昂貴的蝕刻和納米光刻加工步驟。

DigiLens的有源全息波導(dǎo)技術(shù)，采用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens波導(dǎo)內(nèi)的全息鏡光學(xué)器件能夠在電流激發(fā)時改變狀態(tài)

我們通過增加轉(zhuǎn)換和高折射率調(diào)制將全息波導(dǎo)提升到了全新的水平。經(jīng)過反射全息的早期探索之后，DigiLens決定專注于薄傳輸布拉格光柵，當(dāng)在波導(dǎo)中應(yīng)用時，在實(shí)現(xiàn)AR所需的光束管理能力方面，它能夠提供比反射布拉格光柵更多的功能性。我們喜歡將我們的方案描述為進(jìn)行“光學(xué)折紙”。使用基本光柵設(shè)置的綜合工具套件，我們可以設(shè)計AR顯示器所需要的任何波導(dǎo)架構(gòu)，以及完全實(shí)現(xiàn)AR所需要的眼動追蹤及其他傳感器。獨(dú)一無二的是，我們的技術(shù)可以使用通用的設(shè)計方法、材料和工藝，來解決所有這些功能，并將它們縮小為堆棧中的附加層。

Digilens開發(fā)的設(shè)計工具

一個設(shè)計挑戰(zhàn)是當(dāng)前的設(shè)計工具無法滿足我們?nèi)绱藦?fù)雜的波導(dǎo)光柵建模要求，更不用說處理液晶聚合物光柵的雙折射特性。為了解決這個問題，我們開發(fā)了在ZEMAX中運(yùn)行的自己的定制化光線跟蹤工具。最終，這些設(shè)計工具將提供給我們的被授權(quán)許可商，以幫助他們根據(jù)我們的專利參考設(shè)計創(chuàng)作定制化的波導(dǎo)應(yīng)用。

DigiLens EyeHUD：93%透明度，適用于全天時的可穿戴“企業(yè)級”應(yīng)用

ZB：與其他技術(shù)相比，你們的全息光學(xué)元件有哪些優(yōu)勢？JW：我們現(xiàn)在可提供寬視場（FOV）彩色顯示，且FOV的設(shè)計和工藝可以擴(kuò)展從近眼顯示到零售顯示的任何AR FOV和外形尺寸。其他獨(dú)特的賣點(diǎn)包括高透明度、高效率，能夠降至單個RGB層（SRG波導(dǎo)不太可能在兩個波導(dǎo)以下實(shí)現(xiàn)全彩），制造成本估計比同等規(guī)格的SRG波導(dǎo)低2~3倍。我們還提供實(shí)施眼動追蹤和其他傳感器的通用技術(shù)。ZB：全息光學(xué)元件已經(jīng)在較老的AR頭戴設(shè)備原型中應(yīng)用。您認(rèn)為它為什么沒有被采用，你們計劃如何推動這項技術(shù)的應(yīng)用？JW：盡管它歷史悠久，但全息顯示制造已被視為一種藝術(shù)，涉及一種復(fù)雜、困難且耗時的材料，且容易出現(xiàn)像霧之類的圖像偽影。通過Luminit、Zebra Imaging（展示大規(guī)模生產(chǎn)能力）、Akonia（利用全息存儲技術(shù)的發(fā)展）的發(fā)展，現(xiàn)在，DigiLens以其先進(jìn)的全息聚合物材料，將全息光柵提升為一種極具競爭力的工程解決方案，事實(shí)上已經(jīng)超越了SRG的性能。得益于采用了為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開發(fā)的現(xiàn)有成熟蝕刻和光刻工藝，SRG波導(dǎo)贏得了先機(jī)。不過，其成本仍然是一個障礙，且良率持續(xù)較低。對于SRG波導(dǎo)開發(fā)商來說，提高良率是現(xiàn)在需要應(yīng)對的一個關(guān)鍵目標(biāo)。然而，更高的FOV需求，意味著更復(fù)雜的SRG設(shè)計，從而對良率帶來了進(jìn)一步的壓力。相比之下，我們的印刷工藝對于更嚴(yán)格的規(guī)格要求更加穩(wěn)??；與SRG不同，初始母版制作完成后，更高規(guī)格的全息光柵不會帶來任何額外的制造問題。

我們的材料被稱為活性單體液晶混合物（DigiLens RMLCM），結(jié)合了經(jīng)過驗證的液晶和單體組分，類似于那些在液晶顯示行業(yè)使用的材料

在早期版本的液晶聚合物材料系統(tǒng)中，霧度是一個挑戰(zhàn)，但得益于材料的改進(jìn)和更均勻的光柵形態(tài)，我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)㈧F度降低到大多數(shù)AR應(yīng)用完全可接受的水平。全息波導(dǎo)對已被考慮用于AR顯示器尤其是AutoHUD的激光器非常友好；而SRG需要更寬的帶寬光源來實(shí)現(xiàn)色彩平衡。

ZB：人們在談?wù)揂R時大多想到的是頭戴AR設(shè)備。你們是否針對其他應(yīng)用？你們的技術(shù)對于其它應(yīng)用有何優(yōu)勢？JW：認(rèn)為AR僅限于頭戴設(shè)備顯然是一種誤解。AR可以服務(wù)于任何人類活動，我們正在使用我們的MonoHUD（摩托車頭盔的MotoHUD）、EyeHUD和AR HUD產(chǎn)品來解決所有的AR顯示。我們與Rockwell Collins合作開發(fā)的AeroHUD已經(jīng)生產(chǎn)了一段時間。與競爭型波導(dǎo)技術(shù)不同，我們在經(jīng)濟(jì)性上可以擴(kuò)展到大面積顯示應(yīng)用，例如AutoHUD和零售顯示，如果使用其他波導(dǎo)技術(shù)制造這些應(yīng)用會非常昂貴。

ZB：近來對AR的炒作似乎有所降溫，預(yù)期的大規(guī)模應(yīng)用也并未到來。您如何看待這一現(xiàn)狀？您認(rèn)為未來幾年這種趨勢將如何變化？

JW：對AR頭戴設(shè)備的早期應(yīng)用者來說很明顯，它們笨重的外形、較差的FOV以及圖像質(zhì)量普遍不夠，都達(dá)不到開發(fā)商和顯示媒體所宣稱的性能。真正的AR還有一段路要走，需要超過80°的FOV以及眼動追蹤和動態(tài)透鏡的無縫集成，以實(shí)現(xiàn)終極的圖像渲染和焦深。這些一部分需要通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，還需要更加以消費(fèi)者為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計來解決。如果蘋果公司這樣的巨頭進(jìn)入該市場，肯定能推動市場的繁榮發(fā)展。現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)是將滿足功能要求的波導(dǎo)顯示器的成本降低到高端智能手機(jī)的水平。雖然我們將不得不等待消費(fèi)型AR的完全實(shí)現(xiàn)，但我們的摩托車HUD產(chǎn)品已經(jīng)證明AR功能的一個子集就已經(jīng)可以提供巨大的優(yōu)勢。同樣，我們在企業(yè)級細(xì)分領(lǐng)域也看到了直接的市場機(jī)遇，在這個細(xì)分市場外形和款式并沒有那么重要。ZB：DigiLens的商業(yè)模式是什么？您是制造商，服務(wù)公司，還是僅僅是技術(shù)授權(quán)商？JW：我們將DigiLens的波導(dǎo)技術(shù)（包括材料、復(fù)印設(shè)備、參考設(shè)計和工具）授權(quán)給汽車企業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的顯示器OEM廠商，加速其光波導(dǎo)產(chǎn)品推向市場。

DigiLens M1000 制造設(shè)備

我們的支持產(chǎn)品組合包括光學(xué)設(shè)計工具、制造工具以及零件和材料供應(yīng)。由于我們的支持能力有限，以B2B為基礎(chǔ)，嚴(yán)格限制了應(yīng)用的定制。ZB：目前公司的商業(yè)化現(xiàn)狀如何？你們是否已經(jīng)從主要客戶那里獲得了一些推動？JW：我們的第一款個人波導(dǎo)顯示產(chǎn)品——MotoHUD，是與寶馬（BMW）合作開發(fā)的一款摩托車頭盔應(yīng)用。這款雙波導(dǎo)單目設(shè)計可永久安裝在頭盔中，可提供全彩色、nHD分辨率、25°FOV（105°透視FOV）和最大5000尼特的亮度。它將由世界領(lǐng)先的顯示器制造商***揚(yáng)明光學(xué)（Young Optics）批量供應(yīng)。這款摩托車應(yīng)用使我們可以基于相同的單目HUD設(shè)計，為其他應(yīng)用的開發(fā)提供跳板。汽車產(chǎn)業(yè)可能是我們第一個大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域之一。

根據(jù)IHS汽車顯示器市場跟蹤及組件預(yù)測和分析，僅汽車HUD的全球銷售收入將達(dá)到每年186億美元。這意味著我們在不久的未來就將看到新車型配備HUD安全功能。DigiLens與大陸集團(tuán)（Continental）合作開發(fā)了一款具有20°FOV的AutoHUD（在2018年CES進(jìn)行了展示），基本上達(dá)到了當(dāng)前折射解決方案的兩倍，而組件體積僅為之前解決方案的六分之一。通過與Rockwell Collins合作，DigiLens開發(fā)了一款用于商用飛機(jī)的HGS 3500抬頭制導(dǎo)系統(tǒng)波導(dǎo)顯示器。這款視場寬廣的HUD比競爭系統(tǒng)更小、更輕、更經(jīng)濟(jì)。第一個安裝并驗證該設(shè)備的客戶是巴西航空工業(yè)公司（Embraer），這是一家商用和國防飛機(jī)及技術(shù)領(lǐng)先制造商。ZB：就產(chǎn)品制造而言DigiLens現(xiàn)狀如何？

JW：我們最好的全息光敏聚合物（通過折射率調(diào)制測量）和接觸式復(fù)制（contact-copy）波導(dǎo)制造工藝，是我們歷經(jīng)十四年的研發(fā)成果，將經(jīng)典的全息術(shù)簡化為類似復(fù)印的工藝。我們的工藝最初是為試驗工廠運(yùn)營而設(shè)計的，現(xiàn)在已經(jīng)與Young Optics等合作伙伴合作擴(kuò)大到全消費(fèi)規(guī)模制造。除了取代原有三層設(shè)計的新型雙層顯示器之外，DigiLens最近還宣布已開始使用新的噴墨涂層制造工藝，顯著提高了產(chǎn)量。MonoHUD和Eye HUD計劃在2018年底進(jìn)入低速生產(chǎn)階段。我們的AR頭戴設(shè)備（ArHUD）將在2019年中期進(jìn)入低速生產(chǎn)階段。

AeroHUD目前正在許可制造生產(chǎn)，而AutoHUD將在2020年進(jìn)入許可制造生產(chǎn)。我們相信，我們較低的工廠成本、易于配置、可擴(kuò)展性、高產(chǎn)量和高良率，以及全部工藝的集中整合能力，將使波導(dǎo)制造變得更加經(jīng)濟(jì)，幫助制造商比以往任何時候都更快、更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)薄而高品質(zhì)的智能眼鏡DigiLens光學(xué)器件。ZB：未來一年，你們的發(fā)展重點(diǎn)是什么？JW：我們的主要目標(biāo)是通過低速生產(chǎn)階段獲得MonoHUD、EyeHUD、ArHUD，以為許可制造商生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。這包括改進(jìn)我們的圖像質(zhì)量測量系統(tǒng)和質(zhì)量控制。我們也正在考量單層全彩架構(gòu)。