2018年01月22日 | 盘点CES 2018中的AR，都有哪些神奇技术

CES 2018大会已经降下帷幕。在这篇来自于Karl Guttag的文章中，记者希望与大家一同回顾今年CES大会的AR技术与设备。由于涉及内容太多，Karl Guttag没加入太多比较深入的分析，而是以图片+短评的方式入手 。但“衍射波导”除外，因为关于这方面的相关技术有很多，而且这是关于微软Hololens和Magic Leap的主要话题。

1. Lumus波导

下面是波导厂商Lumus的演示头显，双40度视场波导，每个波导由Raontech 1080p场序彩色LCOS器件驱动。人们认为这款设备与Hololens相似，头显中没有运转中的摄像头，传感器或计算机。设备的出瞳距离很宽，你很容易就能看到佩戴者的眼睛。波导能够把80％以上的真实世界光传输到眼睛。另外，我们从图片中可以看到，这种“顶部射出”的设计留空了用户侧面和下面的外围视觉。

Lumus采用了半透明反射阵列波导（multi-semi-mirror waveguide） ，这与Hololens和Magic Leap的衍射波导技术截然不同。

它们的图像质量似乎明显好于衍射波导，但需要注意的是，Lumus只是展示了有限的演示内容，我没有时间，也没有机会去尝试可能会产生问题的测试模式。我一直以来都有强调的是，展厅中的演示通常都会经过精心的测试和调整，他们同时会避免突出性能问题的内容。

Lumus展台上的40度1080p波导获得了最多的关注，而他们同时展示了更低成本和更低分辨率的“侧边射出”的设计，以及更加时尚的设计理念。这种设计以分辨率为代价来换取更低的成本，更轻的重量和更小的尺寸。它遮挡了更多的用户外围视觉，但并不比一副大镜框的太阳眼镜多太多。

Lumus制造光学元件并连接显示器，系统的其余部分则取决于他们的OEM客户，因此他们的原型只是模型。下面我要讨论的公司是Vuzix，他们既制造光学产品，也生产最终产品。

2. Vuzix Blade 单视场衍射波导

Vuzix可能代表了一种更实用，更时尚，更以商业为导向的波导眼镜。Vuzix放弃了通过设备来观看电影的用例，并且只演示文本和简单的图形内容。它属于单视场眼镜（单眼显示器），旨在向用户提供基本的信息。

Vuzix Blade采用了他们自家的衍射波导。像Lumus一样，它们把超过80％的真实世界光线传输到眼睛。整体图像质量受到衍射波导的影响，而且视场中存在明显的颜色变化。这是衍射波导中的固有问题，包括Hololens，同时大家可以预期Magic Leap将出现类似的问题（我不并只是在刁难Vuzix）。

首先，它们将镜片移动到距离眼睛非常近的地方，以至于需要使用处方镜片（这有好有不好）。随着镜片越来越靠近眼睛，它能够减轻对鼻子的压力，同时能够更舒适地贴合。它们只有一个WVGA（854×480）DLP显示器，纵向模式，可以支持用户在视图中垂直移动图像，从而更好地定位图像的位置。借助DLP，它们可以令图像变得非常明亮（超过3000 nits），从而使其适合户外使用。Blade通过无线连接到智能手机或计算机系统，能够持续显示约1个小时，或者是8小时的“典型”间歇使用。

Vuzix正在努力打造一款满足客户需求的产品。Blade更像是一款完整的产品，而不是说展示其潜能的模型。

3. WaveOptics衍射波导

WaveOptics邀请我到他们的套房去体验由玻璃和塑料制成的最新衍射波导成果。他们正在采用“顶部射出”的设计，并用一副眼镜模型来展示更为完整的产品效果。他们就像是波导元件厂商，而不是说完整系统的制造商。令WaveOptics脱颖而出的一件方面是，他们既支持玻璃也支持更低成本的塑料波导，而大多数波导厂商只使用玻璃（为了安全起见可以进行层压）。WaveOptics声称已经取得了进展，他们能够令波导更好地环绕用户的头部，就像正常眼镜一样。

文章的图片没有显示图像，因为从波导中获取像是肉眼所见的图像非常棘手而且耗时。WaveOptics同时提供了几个模型来展示波导搭载在成品中的效果。当你面对不同的设置和不同的内容时，你将不可能客观地比较各种波导。可以说，我发现了“典型的”衍射波导问题（颜色不均匀和“波导发光”），但不能说这比其他衍射波导更好或更差。

4. DigiLens衍射波导

另一个衍射波导厂商是DigiLens。他们主要通过“冰冻LCD”工艺来制作衍射光栅。我没有在CES大会上看到他们（我的问题），但我在2017年11月的Display Summit峰会上与他们进行了交谈，并看到了他们的技术。Digilens正在向消费者推出用于自行车和摩托车的产品。

正如我在谈论其他衍射波导时指出，衍射波导存在相似的优点（薄，而且透明适中），但同样存在类似的图像问题。

5. 关于衍射波导的限制

我见过很多衍射波导，包括微软Hololens和上文提及的衍射波导。很抱歉另起一段进行专门阐述，但这是有必要的解释。令波导行之有效的物理学原理是图像质量下降的根源，亦即根据波长来弯曲光线。这个原理同时存在其他问题，即图像光必须在波导出射光栅层（exit grating）上多次反弹，而每次与出射光栅层（exit grating）的相遇都会令图像质量降低。

每位厂商都有自己的“诀窍”。Hololens使用的是诺基亚的倾斜波导；Vuzix是从诺基亚的倾斜波导开始，但他们已经开发出了属于自己的技术；Digilens使用UV冰冻LCD；对于Magic Leap，根据他们最新的论文和专利，他们可能正在使用双纳米光束。但使用衍射光栅的基本原理都一样。不同的技巧可能会减少一些负面影响，但无法完全根除它们。

衍射波导可以在有限范围内制造出有用的产品。它们薄而轻，通常具有良好的透光性（一般大于80％）。它们支持眼镜“外观”。厂商在生产方面的表现似乎越来越好，所以成本应该会不断下降。对于制作提供低分辨率基本信息的和“数据快餐式”的衍射波导（如Vuzix），衍射波导可能非常有用，但它们永远无法提供优秀的图像质量。

请注意，Lumus的半透明反射阵列波导（multi-semi-mirror waveguide）属于不同类别，因为它们不依赖于折射。它们可能存在其他的光学问题（我尚未有机会进行评估）。他们的衍射波导竞争对手表示，Lumus波导的制造成本要高得多，但由于我无法从任何公司身上获得可靠的成本数据，所以无法予以证明。

6. LetinAR“针镜”光学元件

LetinAR是一家小型韩国初创公司，他们提供清晰的光学元件，并且嵌入了“针镜”。从远处看，这就像是清晰材料中出现了一个点或多个点。他们的多针镜70度元件如图所示。具体的物理原理似乎与针孔摄像头和北卡罗来纳大学的Pinlight Display相关，但LentinAR使用了更大和更少的针镜。LetinAR主要是通过玻璃和塑料来制作光学元件。

这种技术的迷人之处在于，虽然看起来非常简单，但由此产生的图像光具有非常高的“f值”，这样无论你的眼睛聚焦于何处，图像都能实现焦点对准，并且能带来非常锐利的图像。他们的针镜式光学元件是以不同于任何波导的方式作用在光线上。

对于LetinAR，我从未能够理解他们系统的显示光吞吐量。你可以会认为高f值光学系统的效率更低，因为其需要“扔掉”更多的漫射光。但是，他们使用的是无法提供如此多光线的OLED显示器，而且他们声称效率相当高。

它们通过单个针镜支持约40度的视场，然后通过增加针镜来提高视场。用户的眼睛必须相对靠近针镜，而且需要为眼镜用户提供处方眼镜。也许是因为针镜的焦点，它们只需要镜片来校正用户对真实世界的感知视图(我不确定，特别是关于散光的问题)。

透过他们搭载15针镜的70度视场光学元件，当我的眼睛从一个针镜移至下一个针镜时，我注意到一定的变形/错位。LetinAR表示，这只是一个早期的原型，而他们将会提高制造公差。

7. DeepOptics自适应透镜

在Lumus的展位上，搭配Lumus波导展示的是Deepoptics的一种电控可变焦点透镜。无论是Lumus的半透明反射阵列波导（multi-semi-mirror waveguide）还是衍射波导，波导都需要准直（聚焦在无限远）光作为波导。我在以往关于视觉辐辏调节冲突（VAC）的文章中指出，为了支持VAC，光线焦点必须在光离开波导后改变。

Deepoptics使用了一种夹在光学透光控制面板之间的相位调制液晶。在目前的演示中，他们没有采用任何眼动追踪来控制VAC系统所需的焦点。但Deepoptics表示，他们可以通过电子方式控制焦点。

因为它必须位于波导的输出和眼睛之间，所以改变显示图像的焦点也会影响真实世界的焦点。Deepoptics了使用一个偏振器来将现实世界的光线偏振到显示光的相反极性。这样，他们的自适应透镜只会改变显示光的焦点。但这确实意味着否定了Lumus和其他波导透视大于80％的优势。

另一种可以屏蔽更少光线的方法是：在波导的两侧设置一个自适应透镜。内部自适应透镜能够针对VAC进行校正，而外部自适应透镜将弥补现实世界的校正。但是，双校正光学的效果如何还有待观察。

8. Raontech LCOS和更为传统的光学元件

Raontech是LCOS微型显示器的制造商，而他们今年在CES的AR展位有着重要的地位。除了自家的展位之外，Raontech的LCOS设备同时出现在了Lumus的1080p演示作品，以及Mad Gaze和ThirdEye之中。

Raontech目前正在出货两种不同尺寸的720p场序彩色LCOS显示器。一个是更小和更便宜；Mad Gaze和ThirdEye所采用的另一款则更大和更昂贵，但通过使用更简单的光学元件实现了更好的图像质量。Lumus使用了Raontech的1080p显示器，同时Raontech展示了他们最近开发的四核高清设备（四核720p或2560×1440像素）。

Mad Gaze和Thirdeye似乎都使用了Raontech为其面板开发的相同光学元件。尽管光学元件采用了一种“鸟澡盘”设计，但曲面镜是在底部而不是在前面。与去年ODG的R-8和R-9相比，这种配置能够令更多的现实世界光和显示光进入眼睛。从光学角度来说，Raontech的设计与谷歌眼镜非常相似，都只能放大并旋转90度。图像质量相对较好，但仍然屏蔽了大约60％的现实世界光（在添加着色之前）并且极化了光线。

Raontech的设计提供了相当好的出瞳距离，所以你可以戴在人的眼镜上。但这也意味着透镜和光学元件距离更远，使鼻子的承压更重，而且整体看起来更大。这些只是设计上的权衡方案。

因为它是一个带分束器的“鸟澡盘”，所以光学元件很笨重。Thirdeye表示，他们正在为未来产品寻找其他光学设计。ThirdEye的设计看起来比Mad Gaze体积更大，因为其设计中内置了更大的电池，而这是电池续航能力与外观的经典权衡。

9. 虫眼显示器

似乎是Meta 2首先掀起了使用双大型球形合成器的大型平板显示器趋势，而许多人将其称之为“虫眼显示器”。特别地，我看到了Dreamworld （其中一名创始人来自于Meta), Real Max和Mira都在使用虫眼光学元件。

使用LCD或OLED平板显示器(专用显示屏或使用手机显示屏)的这种虫眼方法必须是令近眼显示器实现合理显示图像质量的最低成本方法。缺点包括体积巨大，屏蔽大部分真实世界光线（通常超过50％）。你会看到一个模糊的区域，其中两个球体在中间相遇。亮度只是足以支持室内使用，其同时遮挡了用户眼睛的视图。另外，这种设计令用户看起来像是一个巨大的机器昆虫。