如何用光電子技術(shù)制造出小巧且高效的RGB激光器推動(dòng)AR眼鏡的發(fā)展？

你試過用App在家里虛擬擺放家具來看效果嗎？用過可以改變自己形象的App嗎？玩過曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的游戲《Pokemon Go》嗎？這些都是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在生活中的例子。

AR系統(tǒng)能夠巧妙地將計(jì)算機(jī)生成的內(nèi)容疊加到現(xiàn)實(shí)世界中。盡管谷歌眼鏡在市場上的表現(xiàn)未達(dá)預(yù)期，但目前，AR系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)展穩(wěn)步推進(jìn)，市場需求也持續(xù)增長。理想的AR眼鏡應(yīng)具備豐富的功能，同時(shí)兼顧輕便和舒適，能適合全天候佩戴，不過這樣的AR眼鏡目前尚未上市。事實(shí)上，開發(fā)既能提供高分辨率圖像又具有低能耗的解決方案并非易事。隨著開發(fā)者不斷探索未來的無限可能，他們逐漸認(rèn)識(shí)到，光電子集成電路（PIC）可能是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

通過利用光的優(yōu)勢，光電子集成電路（PIC）可以實(shí)現(xiàn)快速、低功耗且高容量的數(shù)據(jù)傳輸。此外，PIC支持微型化激光束掃描技術(shù)，為更高性能、更舒適的AR眼鏡提供了新的可能性。

位于荷蘭的BrillianceRGB公司深刻理解PIC在AR應(yīng)用中的重要價(jià)值，目前正在開發(fā)適用于AR和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）眼鏡中的激光投影光電子芯片。本文將詳細(xì)介紹這家公司如何應(yīng)用新思科技的光電子技術(shù)，制造出小巧且高效的RGB激光器，以推動(dòng)AR眼鏡的發(fā)展。

AR如何朝著沉浸式互聯(lián)網(wǎng)的方向演變

AR技術(shù)并不是新概念，其歷史可以追溯到1968年，當(dāng)時(shí)哈佛大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Ivan Sutherland發(fā)明了首個(gè)AR頭戴顯示系統(tǒng)。商業(yè)化方面，2008年德國開發(fā)出了首款A(yù)R應(yīng)用，主要用于廣告。如今，AR技術(shù)的潛力已經(jīng)日益顯現(xiàn)。游戲行業(yè)和元宇宙對AR系統(tǒng)的需求極大，同時(shí)，為了提升工作效率，AR技術(shù)也在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在新冠疫情期間，由于出行限制，ASML開發(fā)了一款A(yù)R解決方案，使技術(shù)支持人員可以“進(jìn)入”客戶的潔凈室，協(xié)助檢修光刻機(jī)并確保其正常運(yùn)行。在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)生利用AR技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)、手術(shù)準(zhǔn)備及獲取患者生命體征數(shù)據(jù)。

未來學(xué)家Bernard Marr在《福布斯》雜志的一篇文章中預(yù)測，今年AR和VR等技術(shù)將帶來更具協(xié)作性與互動(dòng)性的在線體驗(yàn)，進(jìn)一步推動(dòng)“沉浸式互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展。為了使AR眼鏡等AR系統(tǒng)成為主流，并為沉浸式互聯(lián)網(wǎng)提供更強(qiáng)大的支持，開發(fā)者面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中一個(gè)難題是如何制造適合所有人在各種環(huán)境下使用的AR眼鏡，例如讓佩戴處方眼鏡的用戶在陽光明媚的天氣中也能舒適使用。但在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)之前，開發(fā)者首先需要制作出外觀和觸感與日常眼鏡相似的AR眼鏡。到目前為止，現(xiàn)有產(chǎn)品僅實(shí)現(xiàn)了一些小幅改進(jìn)，目前尚未取得重大突破。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的工作原理

AR利用光學(xué)器件搭建仿真環(huán)境，然后疊加到真實(shí)環(huán)境中，以增強(qiáng)使用體驗(yàn)。AR眼鏡的工作原理與車載抬頭顯示器類似，即通過佩戴者眼前的眼鏡來投影仿真內(nèi)容。本質(zhì)上來說，眼睛是接收器，而微顯示器或激光器是光源，透鏡是光學(xué)元件。微顯示器光源可能來自有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。光學(xué)元件將來自微顯示器或激光器的光與來自現(xiàn)實(shí)世界的光相結(jié)合，然后將來自微顯示器或激光器的增強(qiáng)信息投射到現(xiàn)實(shí)世界中。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)使用導(dǎo)光條將光源創(chuàng)建的圖像傳送到眼睛，開發(fā)者需使用多種工具來仿真所要達(dá)到的效果。在光學(xué)工作流程中，光柵耦合器需借助RSoft DiffractMOD嚴(yán)格耦合波分析法（RCWA）和FullWAVE時(shí)域有限差分法（FDTD）軟件，將顯示器圖像注入導(dǎo)光條中或從導(dǎo)光條中提取出來。理想情況下，導(dǎo)光條應(yīng)整合到傳統(tǒng)的眼鏡框架里。開發(fā)者可通過LightTools照明設(shè)計(jì)軟件將光柵添加到模型中，然后仿真輻射度性能，以確保佩戴者能夠看到清晰的圖像，緩解因雜散光造成的對比度下降問題。隨工作流程持續(xù)推進(jìn)，各種組件逐漸得到完善并相互結(jié)合，不斷簡化設(shè)計(jì)迭代的過程。

光電子集成電路幫助大幅減小RGB激光模塊的尺寸

PIC能夠低延遲地快速傳輸數(shù)據(jù)，因而在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用中備受青睞。PIC可幫助AR眼鏡以更高效的方式處理光線，從而促進(jìn)研發(fā)更輕便、更節(jié)能的眼鏡設(shè)備，提供更加清晰生動(dòng)、流暢自然的全息圖像。通過使用PIC，BrillianceRGB開發(fā)出了尺寸更小、效率更高的紅綠藍(lán)三色（RGB）光源。該光源的尺寸為4×7mm2（并正朝4×4.5mm2方向發(fā)展），輸出功率高達(dá)100mW，可幫助客戶克服AR投影應(yīng)用在微型化、集成度、能效和總體舒適度方面的挑戰(zhàn)。

為了盡量縮小RGB激光模塊的尺寸，BrillianceRGB采用了基于氮化硅的PIC。另外，借助光電子技術(shù)和半導(dǎo)體開發(fā)方法，BrillianceRGB還開發(fā)出了一種可擴(kuò)展性超強(qiáng)的制造和封裝工藝。其激光芯片采用“倒裝芯片”技術(shù)，緊貼其他先進(jìn)組件放置。目前，BrillianceRGB正致力于將現(xiàn)有的概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)化為針對特定客戶的定制化原型，并力求與客戶的眼鏡框架實(shí)現(xiàn)無縫集成，以便順利進(jìn)行批量生產(chǎn)。

BrillianceRGB的激光芯片設(shè)計(jì)采用了新思科技的OptoDesigner工具，該工具深受BrillianceRGB許多資深開發(fā)者的青睞，他們從大學(xué)時(shí)期就開始使用這款解決方案，對其非常熟悉。

OptoDesigner的算法模塊能夠幫助開發(fā)者設(shè)計(jì)和優(yōu)化光電子元件、波導(dǎo)以及整個(gè)芯片。在光子集成電路（PIC）中，波導(dǎo)的作用是限制并引導(dǎo)光能的流動(dòng)，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，還可以高效地組合和傳輸紅綠藍(lán)三色光。得益于OptoDesigner解決方案中內(nèi)置的光電子感知算法，BrillianceRGB的波導(dǎo)布線一次成功，極大地節(jié)省了時(shí)間和人力資源。

現(xiàn)在，OptoDesigner已與新思科技的OptoCompiler完全集成，后者是一個(gè)一站式的電子和光電子設(shè)計(jì)環(huán)境，支持PIC的仿真、布局和驗(yàn)證。OptoCompiler還能為AR應(yīng)用設(shè)計(jì)和優(yōu)化超表面。

AR必將很快成為主流

在未來幾年內(nèi)，AR眼鏡有望進(jìn)入主流市場，這一過程必將令人矚目。屆時(shí)，我們可能會(huì)看到有人在地鐵通勤時(shí)，通過虛擬屏幕來處理工作。同時(shí)，光電子技術(shù)將繼續(xù)展現(xiàn)其價(jià)值，為全球帶來更多創(chuàng)新的AR系統(tǒng)應(yīng)用。

審核編輯：劉清