光學元件助你實現(xiàn)觸手可及的AR夢

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

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，隨著虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）以及擴展現(xiàn)實（XR）這些熱詞的流行，它們背后技術的春天也即將到來。這些技術可以令每個人的AR夢成為現(xiàn)實，取代智能手機成為下一次重大的人機交互革命，有望引爆消費類市場。為此，很多公司紛紛投入大量資金開發(fā)相關技術所需要的構建模塊。在這些模塊中，光學元件代表了AR頭戴設備中最具挑戰(zhàn)性的元件之一。Yole在幾個月前發(fā)布的《VR/AR/MR顯示及光學視覺系統(tǒng)-2018版》技術和市場分析報告中討論了這一主題，探討了VR/AR/MR設備的現(xiàn)狀和趨勢。該報告說明了要讓消費者認可并接受VR/AR/MR設備，還需要解決哪些挑戰(zhàn)。除了產(chǎn)品價格，時尚的外形至關重要。為了能夠提供造型優(yōu)美的外形，波導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：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。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，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AR顯示器開發(fā)領導者。我們相信DigiLens專有的納米材料、全息制造工藝和顯示參考設計，在波導顯示行業(yè)是獨一無二的。DigiLens向領先的波導光學制造商授權光學納米材料和全息印刷設備，以加速它們在汽車、軍事、航空和消費電子領域的AR產(chǎn)品交付。DigiLens AR波導產(chǎn)品已經(jīng)從世界上首款航空航天應用的商用波導HUD開始成功進入市場，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”應用

ZB：您能詳細介紹一下貴司的技術嗎？JW：DigiLens的專長是全息波導技術，目前是波導顯示領域的主要技術之一。其他主要的競爭技術包括由微軟、Vuzix、Magic Leap和Wave Optics開發(fā)的表面浮雕光柵技術，以及由Lumus開發(fā)的Cascaded Mirrors技術。有別于微軟等形成復雜的表面浮雕結構，和Lumus在波導中嵌入多涂層反射，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的有源全息波導技術，采用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens波導內(nèi)的全息鏡光學器件能夠在電流激發(fā)時改變狀態(tài)

我們通過增加轉換和高折射率調制將全息波導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，當在波導中應用時，在實現(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行“光學折紙”。使用基本光柵設置的綜合工具套件，我們可以設計AR顯示器所需要的任何波導架構，以及完全實現(xiàn)AR所需要的眼動追蹤及其他傳感器。獨一無二的是，我們的技術可以使用通用的設計方法、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)的設計工具

一個設計挑戰(zhàn)是當前的設計工具無法滿足我們?nèi)绱藦碗s的波導光柵建模要求，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中運行的自己的定制化光線跟蹤工具。最終，這些設計工具將提供給我們的被授權許可商，以幫助他們根據(jù)我們的專利參考設計創(chuàng)作定制化的波導應用。

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

ZB：與其他技術相比，你們的全息光學元件有哪些優(yōu)勢？JW：我們現(xiàn)在可提供寬視場（FOV）彩色顯示，且FOV的設計和工藝可以擴展從近眼顯示到零售顯示的任何AR FOV和外形尺寸。其他獨特的賣點包括高透明度、高效率，能夠降至單個RGB層（SRG波導不太可能在兩個波導以下實現(xiàn)全彩），制造成本估計比同等規(guī)格的SRG波導低2~3倍。我們還提供實施眼動追蹤和其他傳感器的通用技術。ZB：全息光學元件已經(jīng)在較老的AR頭戴設備原型中應用。您認為它為什么沒有被采用，你們計劃如何推動這項技術的應用？JW：盡管它歷史悠久，但全息顯示制造已被視為一種藝術，涉及一種復雜、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（利用全息存儲技術的發(fā)展）的發(fā)展，現(xiàn)在，DigiLens以其先進的全息聚合物材料，將全息光柵提升為一種極具競爭力的工程解決方案，事實上已經(jīng)超越了SRG的性能。得益于采用了為半導體產(chǎn)業(yè)開發(fā)的現(xiàn)有成熟蝕刻和光刻工藝，SRG波導贏得了先機。不過，其成本仍然是一個障礙，且良率持續(xù)較低。對于SRG波導開發(fā)商來說，提高良率是現(xiàn)在需要應對的一個關鍵目標。然而，更高的FOV需求，意味著更復雜的SRG設計，從而對良率帶來了進一步的壓力。相比之下，我們的印刷工藝對于更嚴格的規(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和更均勻的光柵形態(tài)，我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠將霧度降低到大多數(shù)AR應用完全可接受的水平。全息波導對已被考慮用于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現(xiàn)色彩平衡。

ZB：人們在談論AR時大多想到的是頭戴AR設備。你們是否針對其他應用？你們的技術對于其它應用有何優(yōu)勢？JW：認為AR僅限于頭戴設備顯然是一種誤解。AR可以服務于任何人類活動，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。與競爭型波導技術不同，我們在經(jīng)濟性上可以擴展到大面積顯示應用，例如AutoHUD和零售顯示，如果使用其他波導技術制造這些應用會非常昂貴。

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

JW：對AR頭戴設備的早期應用者來說很明顯，它們笨重的外形、較差的FOV以及圖像質量普遍不夠，都達不到開發(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)的技術創(chuàng)新，還需要更加以消費者為導向的產(chǎn)品設計來解決。如果蘋果公司這樣的巨頭進入該市場，肯定能推動市場的繁榮發(fā)展?，F(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)是將滿足功能要求的波導顯示器的成本降低到高端智能手機的水平。雖然我們將不得不等待消費型AR的完全實現(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)級細分領域也看到了直接的市場機遇，在這個細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，服務公司，還是僅僅是技術授權商？JW：我們將DigiLens的波導技術（包括材料、復印設備、參考設計和工具）授權給汽車企業(yè)和消費應用領域經(jīng)驗豐富的顯示器OEM廠商，加速其光波導產(chǎn)品推向市場。

DigiLens M1000 制造設備

我們的支持產(chǎn)品組合包括光學設計工具、制造工具以及零件和材料供應。由于我們的支持能力有限，以B2B為基礎，嚴格限制了應用的定制。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用。這款雙波導單目設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。它將由世界領先的顯示器制造商***揚明光學（Young Optics）批量供應。這款摩托車應用使我們可以基于相同的單目HUD設計，為其他應用的開發(fā)提供跳板。汽車產(chǎn)業(yè)可能是我們第一個大規(guī)模應用領域之一。

根據(jù)IHS汽車顯示器市場跟蹤及組件預測和分析，僅汽車HUD的全球銷售收入將達到每年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（Continental）合作開發(fā)了一款具有20°FOV的AutoHUD（在2018年CES進行了展示），基本上達到了當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的HGS 3500抬頭制導系統(tǒng)波導顯示器。這款視場寬廣的HUD比競爭系統(tǒng)更小、更輕、更經(jīng)濟。第一個安裝并驗證該設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及技術領先制造商。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（通過折射率調制測量）和接觸式復制（contact-copy）波導制造工藝，是我們歷經(jīng)十四年的研發(fā)成果，將經(jīng)典的全息術簡化為類似復印的工藝。我們的工藝最初是為試驗工廠運營而設計的，現(xiàn)在已經(jīng)與Young Optics等合作伙伴合作擴大到全消費規(guī)模制造。除了取代原有三層設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年底進入低速生產(chǎn)階段。我們的AR頭戴設備（ArHUD）將在2019年中期進入低速生產(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，將使波導制造變得更加經(jīng)濟，幫助制造商比以往任何時候都更快、更經(jīng)濟地生產(chǎn)薄而高品質的智能眼鏡DigiLens光學器件。ZB：未來一年，你們的發(fā)展重點是什么？JW：我們的主要目標是通過低速生產(chǎn)階段獲得MonoHUD、EyeHUD、ArHUD，以為許可制造商生產(chǎn)做好準備。這包括改進我們的圖像質量測量系統(tǒng)和質量控制。我們也正在考量單層全彩架構。