光学元件助你实现触手可及的AR梦

微访谈：DigiLens创始人、董事长兼首席技术官Jonathan Waldern博士

据麦姆斯咨询介绍，随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）以及扩展现实（XR）这些热词的流行，它们背后技术的春天也即将到来。这些技术可以令每个人的AR梦成为现实，取代智能手机成为下一次重大的人机交互革命，有望引爆消费类市场。为此，很多公司纷纷投入大量资金开发相关技术所需要的构建模块。在这些模块中，光学元件代表了AR头戴设备中最具挑战性的元件之一。Yole在几个月前发布的《VR/AR/MR显示及光学视觉系统-2018版》技术和市场分析报告中讨论了这一主题，探讨了VR/AR/MR设备的现状和趋势。该报告说明了要让消费者认可并接受VR/AR/MR设备，还需要解决哪些挑战。除了产品价格，时尚的外形至关重要。为了能够提供造型优美的外形，波导透镜似乎显然是最优的选择之一。在所有从事透镜开发的公司中，目前主要有两种竞争型技术：表面起伏光栅（Surface Relief Gratings，SRG）和全息元件。DigiLens是该行业的主要公司之一，该公司的AR透镜采用了全息路线。Yole显示技术和市场分析师Zine Bouhamri博士近期有幸采访了DigiLens创始人、董事长兼首席技术官Jonathan Waldern博士，讨论了该公司及整个行业的现状和未来发展趋势。Zine Bouhamri（以下简称ZB）：首先，请您介绍一下DigiLens及其业务。Jonathan Waldern（以下简称JW）：我在2003年基于我们的可切换布拉格光栅（Switchable Bragg Gratings）技术，以SBG Labs的名义创立了这家公司，后来在2015年更名为DigiLens。DigiLens的使命是成为下一代波导AR显示器开发领导者。我们相信DigiLens专有的纳米材料、全息制造工艺和显示参考设计，在波导显示行业是独一无二的。DigiLens向领先的波导光学制造商授权光学纳米材料和全息印刷设备，以加速它们在汽车、军事、航空和消费电子领域的AR产品交付。DigiLens AR波导产品已经从世界上首款航空航天应用的商用波导HUD开始成功进入市场，这款产品被称为AeroHUD，已经于2016年上市。DigiLens用于摩托车头盔的MonoHUD单眼HUD将于2018年底投入生产。

DigiLens的MonoHUD充满电可工作5小时，售价499美元，支持“智能头盔”应用

ZB：您能详细介绍一下贵司的技术吗？JW：DigiLens的专长是全息波导技术，目前是波导显示领域的主要技术之一。其他主要的竞争技术包括由微软、Vuzix、Magic Leap和Wave Optics开发的表面浮雕光栅技术，以及由Lumus开发的Cascaded Mirrors技术。有别于微软等形成复杂的表面浮雕结构，和Lumus在波导中嵌入多涂层反射，DigiLens采用布拉格光栅打印成一种单体液晶混合物，形成薄而高透明的光栅，省去了昂贵的蚀刻和纳米光刻加工步骤。

DigiLens的有源全息波导技术，采用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens波导内的全息镜光学器件能够在电流激发时改变状态

我们通过增加转换和高折射率调制将全息波导提升到了全新的水平。经过反射全息的早期探索之后，DigiLens决定专注于薄传输布拉格光栅，当在波导中应用时，在实现AR所需的光束管理能力方面，它能够提供比反射布拉格光栅更多的功能性。我们喜欢将我们的方案描述为进行“光学折纸”。使用基本光栅设置的综合工具套件，我们可以设计AR显示器所需要的任何波导架构，以及完全实现AR所需要的眼动追踪及其他传感器。独一无二的是，我们的技术可以使用通用的设计方法、材料和工艺，来解决所有这些功能，并将它们缩小为堆栈中的附加层。

Digilens开发的设计工具

一个设计挑战是当前的设计工具无法满足我们如此复杂的波导光栅建模要求，更不用说处理液晶聚合物光栅的双折射特性。为了解决这个问题，我们开发了在ZEMAX中运行的自己的定制化光线跟踪工具。最终，这些设计工具将提供给我们的被授权许可商，以帮助他们根据我们的专利参考设计创作定制化的波导应用。

DigiLens EyeHUD：93%透明度，适用于全天时的可穿戴“企业级”应用

ZB：与其他技术相比，你们的全息光学元件有哪些优势？JW：我们现在可提供宽视场（FOV）彩色显示，且FOV的设计和工艺可以扩展从近眼显示到零售显示的任何AR FOV和外形尺寸。其他独特的卖点包括高透明度、高效率，能够降至单个RGB层（SRG波导不太可能在两个波导以下实现全彩），制造成本估计比同等规格的SRG波导低2~3倍。我们还提供实施眼动追踪和其他传感器的通用技术。ZB：全息光学元件已经在较老的AR头戴设备原型中应用。您认为它为什么没有被采用，你们计划如何推动这项技术的应用？JW：尽管它历史悠久，但全息显示制造已被视为一种艺术，涉及一种复杂、困难且耗时的材料，且容易出现像雾之类的图像伪影。通过Luminit、Zebra Imaging（展示大规模生产能力）、Akonia（利用全息存储技术的发展）的发展，现在，DigiLens以其先进的全息聚合物材料，将全息光栅提升为一种极具竞争力的工程解决方案，事实上已经超越了SRG的性能。得益于采用了为半导体产业开发的现有成熟蚀刻和光刻工艺，SRG波导赢得了先机。不过，其成本仍然是一个障碍，且良率持续较低。对于SRG波导开发商来说，提高良率是现在需要应对的一个关键目标。然而，更高的FOV需求，意味着更复杂的SRG设计，从而对良率带来了进一步的压力。相比之下，我们的印刷工艺对于更严格的规格要求更加稳健；与SRG不同，初始母版制作完成后，更高规格的全息光栅不会带来任何额外的制造问题。

我们的材料被称为活性单体液晶混合物（DigiLens RMLCM），结合了经过验证的液晶和单体组分，类似于那些在液晶显示行业使用的材料

在早期版本的液晶聚合物材料系统中，雾度是一个挑战，但得益于材料的改进和更均匀的光栅形态，我们现在已经能够将雾度降低到大多数AR应用完全可接受的水平。全息波导对已被考虑用于AR显示器尤其是AutoHUD的激光器非常友好；而SRG需要更宽的带宽光源来实现色彩平衡。

ZB：人们在谈论AR时大多想到的是头戴AR设备。你们是否针对其他应用？你们的技术对于其它应用有何优势？JW：认为AR仅限于头戴设备显然是一种误解。AR可以服务于任何人类活动，我们正在使用我们的MonoHUD（摩托车头盔的MotoHUD）、EyeHUD和AR HUD产品来解决所有的AR显示。我们与Rockwell Collins合作开发的AeroHUD已经生产了一段时间。与竞争型波导技术不同，我们在经济性上可以扩展到大面积显示应用，例如AutoHUD和零售显示，如果使用其他波导技术制造这些应用会非常昂贵。

ZB：近来对AR的炒作似乎有所降温，预期的大规模应用也并未到来。您如何看待这一现状？您认为未来几年这种趋势将如何变化？

JW：对AR头戴设备的早期应用者来说很明显，它们笨重的外形、较差的FOV以及图像质量普遍不够，都达不到开发商和显示媒体所宣称的性能。真正的AR还有一段路要走，需要超过80°的FOV以及眼动追踪和动态透镜的无缝集成，以实现终极的图像渲染和焦深。这些一部分需要通过持续的技术创新，还需要更加以消费者为导向的产品设计来解决。如果苹果公司这样的巨头进入该市场，肯定能推动市场的繁荣发展。现在最大的挑战是将满足功能要求的波导显示器的成本降低到高端智能手机的水平。虽然我们将不得不等待消费型AR的完全实现，但我们的摩托车HUD产品已经证明AR功能的一个子集就已经可以提供巨大的优势。同样，我们在企业级细分领域也看到了直接的市场机遇，在这个细分市场外形和款式并没有那么重要。ZB：DigiLens的商业模式是什么？您是制造商，服务公司，还是仅仅是技术授权商？JW：我们将DigiLens的波导技术（包括材料、复印设备、参考设计和工具）授权给汽车企业和消费应用领域经验丰富的显示器OEM厂商，加速其光波导产品推向市场。

DigiLens M1000 制造设备

我们的支持产品组合包括光学设计工具、制造工具以及零件和材料供应。由于我们的支持能力有限，以B2B为基础，严格限制了应用的定制。ZB：目前公司的商业化现状如何？你们是否已经从主要客户那里获得了一些推动？JW：我们的第一款个人波导显示产品——MotoHUD，是与宝马（BMW）合作开发的一款摩托车头盔应用。这款双波导单目设计可永久安装在头盔中，可提供全彩色、nHD分辨率、25°FOV（105°透视FOV）和最大5000尼特的亮度。它将由世界领先的显示器制造商***扬明光学（Young Optics）批量供应。这款摩托车应用使我们可以基于相同的单目HUD设计，为其他应用的开发提供跳板。汽车产业可能是我们第一个大规模应用领域之一。

根据IHS汽车显示器市场跟踪及组件预测和分析，仅汽车HUD的全球销售收入将达到每年186亿美元。这意味着我们在不久的未来就将看到新车型配备HUD安全功能。DigiLens与大陆集团（Continental）合作开发了一款具有20°FOV的AutoHUD（在2018年CES进行了展示），基本上达到了当前折射解决方案的两倍，而组件体积仅为之前解决方案的六分之一。通过与Rockwell Collins合作，DigiLens开发了一款用于商用飞机的HGS 3500抬头制导系统波导显示器。这款视场宽广的HUD比竞争系统更小、更轻、更经济。第一个安装并验证该设备的客户是巴西航空工业公司（Embraer），这是一家商用和国防飞机及技术领先制造商。ZB：就产品制造而言DigiLens现状如何？

JW：我们最好的全息光敏聚合物（通过折射率调制测量）和接触式复制（contact-copy）波导制造工艺，是我们历经十四年的研发成果，将经典的全息术简化为类似复印的工艺。我们的工艺最初是为试验工厂运营而设计的，现在已经与Young Optics等合作伙伴合作扩大到全消费规模制造。除了取代原有三层设计的新型双层显示器之外，DigiLens最近还宣布已开始使用新的喷墨涂层制造工艺，显著提高了产量。MonoHUD和Eye HUD计划在2018年底进入低速生产阶段。我们的AR头戴设备（ArHUD）将在2019年中期进入低速生产阶段。

AeroHUD目前正在许可制造生产，而AutoHUD将在2020年进入许可制造生产。我们相信，我们较低的工厂成本、易于配置、可扩展性、高产量和高良率，以及全部工艺的集中整合能力，将使波导制造变得更加经济，帮助制造商比以往任何时候都更快、更经济地生产薄而高品质的智能眼镜DigiLens光学器件。ZB：未来一年，你们的发展重点是什么？JW：我们的主要目标是通过低速生产阶段获得MonoHUD、EyeHUD、ArHUD，以为许可制造商生产做好准备。这包括改进我们的图像质量测量系统和质量控制。我们也正在考量单层全彩架构。