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深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

本文作者:李诗 2018-03-19 16:29
导语:灵犀微光高级光学工程师对Magic Leap的光波导技术进行了全面解读。

在近来虚拟现实风投联盟(VRVCA)发布的报告显示,2017年,VR/AR全球投资总额达到30亿美元新高,较过去两年增长超过250%。值得注意的是,少数几家公司获得的融资占据了整体的较大比例。雷锋网曾报道,Magic Leap在2017年获得淡马锡控股领投的5.02亿美元,2018年初获得沙特主权财富基金4亿美元投资。从2014年至今已经累计获得近23亿美元。

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

在雷锋网看来,Magic Leap屡屡获得巨额融资,有两个主要原因:首先因为其站在AR眼镜的风口上,其次由于其宣称采用空间计算、光学显示等前沿黑科技。

Magic Leap筹备六年,前期看来其全靠视频宣传“骗取”融资,终于在2017年底发布其AR眼镜产品——Magic Leap One创造者版本。滚石记者在体验后称,ML One显示的虚拟物体不透明,能遮挡物体,还没有颗粒感。这可以碾压目前几乎所有AR眼镜。

Magic Leap官方描述称:我们的光场光子产生不同深度的数字光,并与自然光无缝融合,从而将逼真的虚拟物体叠加至真实世界中。Magic Leap一开始宣告他们采用了光纤扫描光场显示技术(FSD)、光子光场(通过聚焦/深度平面解决视觉辐辏调节冲突)、以及被称为“光场芯片”的衍射波导。这些技术Magic Leap一直秘而不宣,业内人士也少有知情者。

3月2日,美国专利商标局公布了多个来自Magic Leap的专利文件,包括Magic Leap的外形结构、系统方法和波导显示器原理。我们终于得以一窥Magic Leap最神秘的光学显示技术。

在看到专利后,雷锋网(公众号:雷锋网)特意联系国内光学显示相关专业人士来进行全面解读。以下分析来自——灵犀微光高级光学工程师小康,雷锋网做了不改变其原意的编辑。灵犀微光为消费级AR提供关键底层技术,聚焦AR设备的瓶颈技术——光学显示,主攻AR产品中的核心器件光学引擎。去年12月,灵犀微光获红杉中国千万级A轮融资。此前,灵犀微光曾参与雷锋网硬创公开课,讲解《从离轴光学到光波导技术:详解AR显示的过去和未来》)

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

Magic Leap, 这家做了多年海洋动物视频的神奇公司,在近期还是有不少进展。比如说从“虚拟版”大鲨鱼跳出篮球场地面,进阶到“现实版”驰骋篮球场的“真·大鲨鱼”奥尼尔代言其最新产品Magic Leap One,宣传路径看上去一脉相承。然而在技术层面,Magic Leap多次改变技术方向,Magic Leap最近公布的专利US2018/0052277全部20条权利要求自始至终都围绕着平面光波导来处理近眼显示系统的光学问题,并未使用先前宣称的光纤扫描技术。

 在光波导中切一块蛋糕

专利显示,设备借助三层波导进行光线传播,而波导表面则是包括多层镀膜、超表面或者体全息波导等技术来对不同波段的光线进行处理,让三色的光线分别进入三层波导中。

同时通过光栅来使每一层波导中的光线一部分耦出波导传向人眼,一部分在波导内继续折叠传播。

每层波导包含不同可重叠区域,用于传递光线以及耦出。如下图X所示:

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

(图X,以下图片均来自Magic Leap专利文件)

再来看这篇专利说明书全文,几乎把Magic Leap的新产品从头到尾讲了一遍,包括图像投影显示、光波导耦入/耦出、出瞳扩展和最终的产品工业设计,甚至连镜腿可以弯曲都写了进来,但其权利要求书却只讲了平面光波导的应用这部分,这说明Magic Leap可能存在有多篇同时申请的专利,共用同样一份专利说明书,更多的权利要求可能还在未公布的专利中。

从专利说明书的细节里不难发现,Magic Leap这篇专利中唯独和先前宣传相照应的是,多层光波导不仅限于颜色分层,还会在不同层中显示不同距离的画面,实现深度感。换句话说,这是一种伪光场效果,是介于平面显示和光场显示之间的一种朴素地实现深度信息的一种方式。如下图所示:

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

在耦入方面,Magic Leap使用的是传统显示模组。

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

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用三色光源(图中8705)照射的反射式显示器(图中8707,比如LCOS),通过PBS(图中8710)投影到透镜组(图中8715)中,上右图为实际的光路示意。

至此可以明确的是,Magic Leap在新产品中既没有使用先前传言的光纤扫描成像技术,也没有实现真正意义上的光场效果。他们在做了多年视频工作以后,终于投入了光波导的怀抱。

和Microsoft在光波导方案撞车,趋势or巧合?

专利中的描述和图片表达像极了Microsoft对HoloLens的技术专利US9372347中的表述。对比图X和图Y,我们能清晰地发现Magic Leap的光波导镜片和Microsoft的光波导镜片形状几乎都一样:光线都是从一个圆形的耦入区域耦入,而后分配给扇形的扩展出瞳区域,最终由方形的耦出区域耦出到人眼中。

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

(图Y,来自HoloLens专利文件)

再来说说其中的不同:Magic Leap在其专利的权利要求书侧重于耦入光线的分离和分别传送,即多层光波导片之间的关联部分(膜层或者表面处理)的设计和制造(用于按照需求从耦入的光线中分离出);而Microsoft在其专利的权利要求书中的侧重则在于单层光波导中全息光栅对光线的引导和传递,从而达到扩展出瞳的目的。

从以色列增强现实公司Lumus开始做阵列光波导,到Microsoft继续使用全息光栅将光波导方案发扬光大,再到上个月爆出苹果未来光波导方案的专利,现在看来,Magic Leap也算是用旁敲侧击的方式从平面光波导的专利大集合中切了一块蛋糕。至此,在增强现实阵营中,巨头们都纷纷选择了光波导方案,殊途同归。随着多年技术挖掘,光波导领域的技术和专利局面已经成型。

光场、光纤维扫描、光波导,都是何方神圣?

 1. 光场技术

所谓场,就是将光线以场的形式记录下来,使得最终能够还原场景任意位置的任意光线信息的一种模式。从效果上讲,光场技术实际上是一种记录和重现真实而完备的3D场景的过程。

如何才能记录一个场景下所有的光线信息呢?有一种比较老套的手段就是用许多照相机。

大家应该能想起来《黑客帝国》里Neo后仰躲子弹的场景,有那么一个瞬间,似乎时间暂停,飞翔的子弹和雨滴都停止了运动,镜头在这个时间暂停的场景中转了一个角度。“时间暂停”的这个瞬间的这些帧图片,便是用排成一排的摄影机同时记录同一个时刻的信息,最终把同一时刻的不同角度的画面先后排列而形成的“时间暂停”的瞬时立体光场效果。

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

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在电影术语里,这种方法叫Bullet Time(中文译作“子弹时间”),算是一种朴素的光场拍摄,在动物世界里有很多场景也应用了这种拍摄手段。

这仅仅是增加了一个维度的信息采集,如果变成更完备的光场采集,那就需要下面这样的相机阵列:

深度 | 宣传光纤扫描成像多年,Magic Leap最终投入光波导怀抱(最新专利文件详解)

想象一下,每一台相机采集的视频都存储并再现出来的时候,观察者便可以挑选任意相机的视角去看所记录的场景,便有了一种3D场景的全再现的效果。

2. 光纤扫描成像

光纤扫描成像其实是光场再现技术的一种。光场再现和光场记录是逆向过程,需要将记录光场的阵列相机模型反过来。再现光场效果所需要的设备就是阵列显示设备,阵列的每一个单元都需要能够显示从某一个角度观察的画面的全部信息,对于不同视角的观察者,还需要显示出不同的像素内容。相比传统2D显示器,再现光场的显示器从信息量来看,相当于在2D显示器的每一个像素点上承载整个画面的分辨率的内容,而这样的显示设备没有办法真正集成在2D显示器一个像素点大的空间内,因此实现起来难度会很大。

Magic Leap的光纤扫描技术便是用光纤来做一个像素点的投影,通过光纤头的微透镜把一幅画面的图像信息投射出来,作为光场再现显示器的一个“像素点”,然后通过光纤头的扫描,就像显像管的电子束扫描一样,扫出光场再现显示器所有的“像素点”。

3. 光波导技术

光波导技术是当前应用最广泛的增强现实显示技术。从投影模块到人眼的过程中,需要光波导进行耦入、传导和耦出,最终呈现在人眼前的是一个透明镜片透射出来的图像,与偏振分光棱镜相比,有其轻量化的优势,同时可以通过多层叠加的方式显示不同深度的信息。

小结

完全还原一个场景中的所有光线信息,是我们所能想到最完美的显示技术,这也是光场技术所许诺的。但我们往往容易低估一项新的技术诞生到成熟的周期,经过一系列实验的光场技术依然不具备产品化的条件。这个行业的先驱Magic Leap选择回归产品,从消费级AR眼镜最基本的需求出发,用多层叠加光波导的技术实现相对轻便、又拥有多深度显示的Magic Leap One。


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