消费级AR眼镜出不来，是因为世界还没有新的‘乔布斯’出现！

    “消费级AR眼镜出不来,是因为世界还没有新的‘乔布斯’出现。” 乔帮主又回到众人视野,各界领袖回溯十年前,回味被改变世界燃起无穷斗志的一个个瞬间;苹果官网也在1 0月5日晚发布一则视频,用真实片段串联起乔布斯的传奇一生。
    对于创业者们来说,乔布斯在推进前沿技术落地这件事上,所表现出前所未有的前瞻性思维和超乎想象的生态整合力,是后人无法逾越的教科书式的存在。 回观AR,这个被库克冠之“极少数对人类生活具有深远意义技术”美誉的产业,毋庸置疑正被苹果视作下个颠覆世界的‘法宝’。而这一天,似乎还迟迟未到。
    01 「Apple Glass」迟迟未到  真是技术不成熟所致?
    从来就没有一开始就完美的技术,只有最合适技术构建出的完美产品。------灵犀微光创始人郑昱
    苹果的成功在于运用当时最合适的技术成功定义和设计了恰逢其时的好产品,而在灵犀微光CEO郑昱看来,AR技术发展尚未成熟不假,但也未必就真的无法撑起一款消费级AR眼镜的问世,其关键在于“操盘者”是谁。 
    为什么这么说?我们说历史往往是最好的老师。 
    iPhone所使用的触控屏前身,是由一家台湾公司宸鸿(TPK)早期的研发产品原型而来。在当时,电容式触摸屏有一个致命性问题,以至令诺基亚等大厂为代表的公司,清一色选择电阻式触控屏设计新一代手机设备。由于电容屏靠静电感应,导致电容屏很难精确识别(每次触摸都会被识别为一小块区域),因此使用触控笔去点按的成功率极低,这对于需要精度操控的手机来说几乎是灾难性的短板。 
    在触控笔一统天下的时代,电容屏无论如何也找不到合适的市场落地,定义为没有使用价值注定被淘汰的技术方向,直至有一天乔布斯发现了他的价值。
    “没有人会想用手写笔,因为我们天生就带着呢”在乔布斯说出这句话之前,TPK创使人江朝瑞曾坐飞机前往当时的手机霸主、位于芬兰的诺基亚总部去推销触摸屏技术,但最后却惨遭拒绝,那时电容屏良品率还达不到10% 
    如果用手指取代触控笔来作为iPhone的交互方式,那么对于屏幕触控精度的要求就大大降低了,原本电容屏的致命缺点也就不再成为劣势。而电容屏的优势---多点触控,恰恰在新一代iPhone交互设计中有了真正的用武之地。 
    2005年,TPK与苹果开始合作研发电容式触摸屏技术。在接下来的两年里,电容屏成本居高不下、技术不稳定、良率低下等一系列困难的情况下,TPK创始人共投入12亿元,在甚至都不知道苹果会将这项技术用在何处的情况下坚持上了“贼船”。 
    乔布斯用“手指即触控笔”的定义,再加之苹果与TPK历时五年的技术研发和创新,化干戈为玉帛,使得电容屏精准度低的问题反而成就了新的交互式潮流,并被划入标准沿用至今。
    尽管现阶段AR光波导技术整体的发展,还没能达到人们的预期,但相较于iPhone推出时电容屏的技术成熟度和良率情况,明显要乐观许多。郑昱分析道:“元器件的性能指标选择要取决于产品的整体定义和设计本身,也要符合当时时代技术的现状和边界。 
    毋庸置疑,元器件的研发与迭代,是不能脱离产品的定义和设计独立存在的。人们所追求的AR眼镜的最终形态,是既轻薄小巧,又功能强大且炫酷。 在《蜘蛛侠:英雄远征》中即可一瞥一二:男主帕克从钢铁侠那里收到的AR眼镜,拥有纤细的镜腿和全透明的超薄镜片,其外形极致逼近普通眼镜。但是,它却能够在眼前展开强沉浸的全息图像,并结合手势追踪、声纹识别等技术进行肢体交互．．．．．．
    但是,正所谓理想很丰满,现实很骨感,不得不承认,以现有的AR光学技术并不能在五年内达到这样的极致体验。 
    现阶段市面上的AR眼镜主要分两类,一类是主打轻薄、便携的AR眼镜,功能较为单一,外观形态与普通眼镜接近,如North focal等。第二类以微软的Hololens为代表,内置主控芯片、SLAM算法、多个深度摄像头等,有手势交互和环境追踪等功能,但是体积庞大且笨重,主要是以头环、头套和头盔等为主的形式。 
    也就是说,我们遇到了当年TPK一样的问题。 
    基于此,郑昱表示:“如果一定要做取舍,轻薄舒适是令消费者接受AR眼镜的最基本要求,在此基础之上逐步迭代完善最终达到最终形态。第二类的AR设备,姑且我们称之为:重型AR眼镜,但是只能在工业等B端场景有所应用,作为C端产品来说很难为普通消费者所接受。” 
    “轻薄舒适“ 只是一个简单概括性的感性形容词,要让普通消费者能够长时间舒适佩戴,在实际产品的研发过程中有非常多的因素要考虑,例如重量,体积、透光度、是否有视线遮挡等等。 以Lumus Maximu为例,其采用几何阵列光波导的确实现了镜片的轻薄化设计,但其LCOS光机分布在眼镜两侧,较大的体积直接遮挡住了两侧视线;与之类似,目前唯一的C端光学方案BB则在视野上方形成遮挡(且十分厚重),这与普通眼镜本该有的视野通透性相去甚远。
    而AR眼镜整机所谓的“轻薄舒适“程度,核心在光学模组的设计和工艺。 
    郑昱表示:光学模组的体积大小,设计能力和设计思路,直接决定了AR眼镜的视野遮挡的严重程度,而镜片光学工艺的能力上限又决定了模组在同样体积上能达到的光学参数上限,如清晰度、视场角度等。这些在最终的产品化过程中,都会被放大数倍呈现在整机上。 
    简言之,整机的越轻薄,对于光波导模组的设计难度越大、工艺要求越高,精度要求和量产难度就会成倍提升。记者了解到,灵犀微光创新性的将光机的显示源和投影源合二为一,打造出最小体积的投射模组, 并且基于阵列光波导技术实现了10g以内的AR光波导模组AW70s, 基于此模组的整机重量30g左右,其外形可谓是无限接近于日常佩戴的普通眼镜。同时,灵犀微光的阵列光波导模组AW70s已经实现量产,其良率可保持在85%以上。 
    毋庸置疑,如今的苹果、微软、Snapchat等大厂都在不遗余力的布局AR终端市场,而之所以迟迟没有一款颠覆意义的产品推出,主要原因还是在于大厂仍在纠结还没有一款符合‘标准’的光波导元器件问世。 
    到这,小编不禁开始反思:对比乔布斯时代iPhone的问世,如今的AR光学成熟度真的撑不起一款颠覆性AR终端的问世吗?亦或是在这个时代,我们确是缺少一位‘乔布斯’这样的产业链整合者出现呢?  
    02  大厂先行  被带跑偏的AR光学演进之路?
    提及AR终端代表之作,HoloLens 2和Magic Leap One当属排头。二者均采用一体式头显设计,其将光学、SLAM交互和续航等融合;光学方面均采用衍射波导;头显重量分别来到579g和316g。
    那么这两个重金投入、寄予厚望的大厂“重量级”产品在市场上表现如何呢?据知,Hololens的全球销量不到20万台,而Magic Leap 在发布其一代产品后,更换了CEO,最近更是宣称放弃消费者市场进入企业级市场。
    在光波导技术被公认为AR眼镜主流技术方向的今天,为何大厂牵头落地的产品并没有带来人们所期望的引爆市场的效果呢?
    光学结构方面,采用表面浮雕衍射波导的单色单通道特性是导致产品笨重的主要原因之一。
    由于表面衍射光栅具有很强的波长选择性,一般来说一个波导镜片通常只能传送一种颜色的光,为了实现彩色显示,只好采用三片结构不同的光栅实现红绿蓝(RGB)三种颜色的图像传输,原本一片1mm左右厚度的镜片,三片叠加便来到5mm左右。
    如果要实现多个距离的画面显示,叠加的镜片数目就要更多了,Magic Leap One 为了实现两个深度的显示用了足足6层镜片。多个镜片的叠加会使得整体光学镜片厚度大大增加,同时制造难度也会大大上升,国内外有一些厂商如Displex等也在尝试研发多通道的单片三色表面浮雕光栅,但是工艺难度极大,至今不能量产。
    显示效果方面,衍射光波导受限于衍射光学器件本身对于角度和颜色的高度选择性,存在色散问题,会导致颜色不均匀,产生彩虹效应。 在Karl Guttag博客中Karl采用Lumux Maximus(二维扩瞳阵列波导)和HoloLens 2(衍射波导激光方案)十分专业的测试方式,对二维扩瞳阵列波导和衍射波导进行了分析测试。
    测试中Karl表示,采用阵列波导的二维扩瞳镜片在纵向显示时尺寸更大,纵横1:1的情况下色彩和亮度足够均匀,比之前体验过的光波导显示效果和出瞳方面有明显的提升。相较之下,在将两者中心画面进一步放大2．54倍的情况下,发现Lumux Maximus的水平和纵向角分辨率是HoloLens 2的四倍,而前者显示的白色效果也足够干净,几乎看不到彩虹效应。
    衍射与阵列波导的光路传输过程,区别就在于前者并非通过多个平行的反射面来导出,而是通过光栅进行导出。
    郑昱分析道:“表面光栅的好处,在于可以令光线的‘输出’不遵循光路反射定律,但缺点是会存在多级次衍射,而最终入眼的其实只有一级,即使再压低其他级次的能量,也避免不了很大的光能损耗,这意味着100%的光耦入后经过多次衍射的利用率是成指数下降的,因此表面浮雕技术的衍射波导光利用率仅为1%左右。”
    此外,由于衍射元件会形成多级次的衍射,在光波导显示镜片“外侧”也会显有其他级次的衍射能量,呈现出“外侧漏光”现象,即其他人也能够一样看到佩戴AR眼镜的人看到的内容,不利于隐私保护。
    这之后,WaveOptics尝试将两片光栅合二为一,实现了一片光栅同时耦入两种单色,但其无可避免的缺点就是偏色更为明显了。而HoloLens 2采用激光作为耦入光源,光线的可覆盖性继续被削弱,因此偏色效应更加严重,这正是最终显示中我们看到HoloLens 2图像效果大打折扣的原因。 那么,当以上种种呈现在最终AR成品中的体验感受究竟会如何呢?正如何同学视频里所述,你在HoloLens 2的宣传片中所看到的实景,都是由HoloLens 2自带的摄像头拍摄的实景,再叠上一层它渲染出的未经过显示的动画得到的。 也就是说,你看到的画面实际上是这样的:
    为什么实际体验如此糟糕呢?首先,你的视野要比HoloLens的实际视野宽很多,而且它的显示范围是一个矩形,并不能覆盖你的整个视线;如果你想看到这个矩形外面的东西,就得把头扭到对应的方向;其次是彩虹效应,HoloLens 2显示白色的时候,是五彩斑斓的白。 
    总而言之,用何同学的一句话概括,就是——上当了。 
    工艺制程方面,衍射的纳米压印技术良率及成本并未有传闻的如此之优。然而,据业内人士透露,即使是作为大厂的微软,亦难将HoloLens 2良率提升至较高水准,其代理商接手的相关产品问题中,接近90%源自镜片。
    郑昱告诉记者,纳米压印技术的原理,需要聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam,简称FIB)硬质模板,再由模板转印到聚合物软模,再用软模进行光栅转印。
    而纳米压印所需要的设备投入在数亿人民币左右,且其中部分设备无法国产化,受到国际供应链变动的可能性较大。同时,两步转印的方法更容易积累误差,造成光栅表面随机性偏差,进而造成能量散射。这亦是此类AR头显都会搭配黑色遮罩增强显示效果的原因所在。
    值得一提的是,光波导的生产并不遵循半导体发展的摩尔定律。这意味着规模化不仅不能帮助衍射波导成本下降,甚至会起到反作用。而目前,用于翻模的FIB刻蚀生产硬质模板大单片成本在50-100万人民币,每片硬质模板可转印大约1000片衍射波导片,使用寿命每片为2000次。
    阵列波导,其底层原理遵循的是成熟的光学玻璃制造工艺,如镀膜,胶合,切片,抛光等。毋庸置疑,其操作工艺难度低于衍射波导,且成品可控性随着胶合和非胶合两套技术的发展成熟,可实现在微米量级,产品一致性可控制在KK级别上保持稳定,前期投入可以控制到数千万人民币左右。 在光波导模组标准尚未确定之前,各家对于衍射和阵列波导的争论不断。加之微软、Magic Leap等大厂先后投入衍射波导行列,这令更多创业企业决心跟随大厂步伐。
    随着AR光学技术不断发展成熟;大厂对于这一新兴领域的不断探索精进;消费级AR光学的相关标准制定的不断推进,消费级AR距离走进大众视野的日子将越来越近。  
    03  二维扩瞳阵列波导开启AR眼镜新纪元  
    前不久,国外有一篇关于猜测AR眼镜产品本在乔布斯生前就有规划的文章炸翻了网路。无论事实为何,苹果、Facebook、微软等一众大厂对于AR产业的重视度正逐年递增,这是不争的事实。 
    AR距离下一代计算平台,或许还需要历经更多成长,大厂们也在这场斗争中,努力发挥所长扮演各自的风向标角色。AR眼镜标准的制定、成熟AR光学的选择和AR生态从0到1的突破,这一切都需要在不断摸索和试错中逐一实现,如果它正如扎克伯格所言——AR就是下一代计算平台,会颠覆人们现有认知和生活方式,那么一切都是值得的。  
    如今,我们看到的最新希望,源自基于阵列波导的二维扩瞳技术带来的更多可能性。
    早期业内对于二维扩瞳方案的看法,认为其仅是衍射波导的“专享福利”。但事实并非如此,通过研究发现,阵列光波导可以实现不低于其他光波导技术的视场角,预计下半年将发布60度甚至更大视场角的波导片。另外,在透光度和光能利用率上灵犀微光也实现了突破,普遍透光度可以达到82%以上,且光损耗更小,画面更清晰。
    郑昱认为,二维扩瞳阵列波导,在保留传统阵列波导技术在工艺和可量产性上所有优点的同时,实现了光阑在垂直和水平方向分别复制多次来扩大系统所能容纳的视场角,使得Eyebox增大。
    体积、成本不变的情况下,显示效果更上一层楼——这个看似近乎苛刻的要求,通过二维扩瞳阵列波导取得初步进展。消费级AR光学的拐点或已来临,下一步灵犀微光将在二维扩瞳波导片的进一步小型化和光利用率方面继续升级迭代。
    实际上,据透露灵犀微光早在去年和前年就已经收到了来自两家风向标式的全球大厂企业的光波导镜片订单,未来,随着光学模组的不断小型化,大厂标准制定的完善,轻量级AR眼镜引领未来智能穿戴新风向终将到来,我们拭目以待!
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