詳談AR/VR/MR數(shù)字光學(xué)元件和技術(shù)

伯納德·克雷斯（Bernard Kress）是微軟HoloLens光學(xué)架構(gòu)師（Partner職級）。他在10年代的初期主要是擔(dān)任谷歌眼鏡的**光學(xué)架構(gòu)師，但于2015年來到了微軟，并一直從事HoloLens混合現(xiàn)實(shí)智能頭顯的研發(fā)工作。

作為對EDO19 Digital Optical Technologies大會的介紹，克雷斯撰文概述了當(dāng)前當(dāng)前AR/VR/MR的數(shù)字光學(xué)元件和技術(shù)。

已于2019年6月24日-27日結(jié)束的EDO19 Digital OpTIcal Technologies的話題涵蓋了用于AR/VR/MR系統(tǒng)的新型光學(xué)元件，如自由空間光學(xué)元件，波導(dǎo)光學(xué)元件（波導(dǎo)組合器），衍射，全息和超表面光學(xué)元件，可調(diào)，可切換和可重新配置的光學(xué)元件。下一屆大會將于2021年6月21日-24日召開。

1. 介紹

國防一直是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的首批應(yīng)用領(lǐng)域，這*早可以追溯至上世紀(jì)50年代。接下來，**個(gè)消費(fèi)者VR/AR浪潮于90年代開始興起，但因?yàn)檫^于超前，尚未成熟，沉浸式領(lǐng)域的熱度開始淡化萎縮。然而，正是由于缺乏可用的消費(fèi)者顯示技術(shù)和相關(guān)傳感器，當(dāng)時(shí)誕生了一系列的新型光學(xué)顯示概念，而它們在今天依然是相當(dāng)前沿的技術(shù)，如ReflecTIon Technology的“Private Eye”智能眼鏡（1989）和任天堂的Virtual Boy（1995）。兩者都是基于掃描顯示器，而非平面顯示器。盡管這種顯示技術(shù)在當(dāng)時(shí)十分超前，但消費(fèi)者級IMU傳感器，低功率3D渲染顯卡，以及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的缺乏導(dǎo)致**起VR浪潮于90年代的消退。另一個(gè)原因是數(shù)字內(nèi)容的缺乏，或者缺乏對企業(yè)和消費(fèi)者VR/AR內(nèi)容的清晰認(rèn)識。

這與General Magic早期的iPod開發(fā)十分類似。在90年代后期，這家公司提出了所述的硬件概念，但當(dāng)時(shí)缺乏無線傳輸技術(shù)和音樂庫。十年后的蘋果終于整合了這三個(gè)要素（硬件，WIFI，在線音樂庫），而這種iPod概念顛覆了一個(gè)時(shí)代。它不僅成為了一種理想的音樂播放產(chǎn)品，同時(shí)引起了消費(fèi)市場的強(qiáng)烈共鳴。

類似地，無論消費(fèi)者AR/VR頭顯的質(zhì)量如何，如果缺乏相應(yīng)的“iTune Store App”，消費(fèi)者市場將不會實(shí)現(xiàn)騰飛。

在**波浪潮衰退之后的十年間，依然在持續(xù)拓展AR/VR技術(shù)的領(lǐng)域是國防工業(yè)，如飛行模擬與訓(xùn)練（用于旋轉(zhuǎn)翼飛行器的頭盔式顯示器和用于固定翼飛行器的平視顯示器）。在00年代，有效的消費(fèi)者努力是汽車平視顯示器和個(gè)人雙目頭顯視頻播放器領(lǐng)域。

今天的工程師們從小就能接觸到不斷普及的平板顯示器技術(shù)，而比起20年前不得不從零發(fā)明新穎沉浸式顯示技術(shù)的同行相比，他們已經(jīng)習(xí)慣于這樣的**額。自2012年以來，我們看到了基于現(xiàn)成智能手機(jī)顯示面板（LTPS-LCD，IPS-LCD，AMOLED）或Pico顯示面板（HTPS-LCD，mu-OLED，DLP，LCoS），以及IMU，攝像頭，深度傳感器（結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間）的初始沉浸式AR/VR實(shí)現(xiàn)。目前，頭顯顯示架構(gòu)正在緩慢發(fā)展為更具體的技術(shù)，而且與平板顯示器更適合沉浸體驗(yàn)的要求。就如同在20年前興起的發(fā)明浪潮（無機(jī)mu-LED面板，一維掃描陣列，二維激光/VCSEL MEMS掃描器……），現(xiàn)在行業(yè)可謂是欣欣向榮。

就顯示，聯(lián)網(wǎng)和傳感器方面，智能手機(jī)技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)塑造了**波VR/AR浪潮，而且一直是早期產(chǎn)品*為顯而易見的目標(biāo)用例。這種傳統(tǒng)額度顯示技術(shù)將作為下一波的初始催化劑。

然而，AR/VR沉浸式顯示體驗(yàn)是延續(xù)半個(gè)多世紀(jì)以來的傳統(tǒng)面板顯示體驗(yàn)的范式轉(zhuǎn)變：從CRT電視到LCD電腦顯示器和筆記本電腦屏幕，再到OLED平板電腦和智能手機(jī)，LCoS，DLP和MEMS掃描儀數(shù)字投影儀，再到iLED智能手表（請參見圖1）。

圖1：沉浸式近眼顯示器：個(gè)人信息顯示器的范式轉(zhuǎn)變

當(dāng)用平板顯示技術(shù)和架構(gòu)（智能電話或微型顯示面板）來實(shí)現(xiàn)沉浸式近眼顯示設(shè)備時(shí)，光學(xué)擴(kuò)展量，固定焦點(diǎn)和低亮度成為了嚴(yán)重的限制。為了支持近眼顯示器匹配人類視覺系統(tǒng)的特性，我們需要替代性的顯示技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/智能眼鏡熱潮在本世紀(jì)10年代初的**次興起帶來了新的命名趨勢：混合現(xiàn)實(shí)，融合現(xiàn)實(shí)，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)，或統(tǒng)稱為XR。智能眼戴設(shè)備（包括數(shù)字信息顯示器和眼鏡）趨向于替代*初的智能眼鏡命名慣例。

2. 智能眼鏡/AR/MR/VR市場

與**次的AR/VR熱潮不同，今天的投資者，市場分析師，AR/VR/MR開發(fā)商及企業(yè)用戶都期望這種獨(dú)特的技術(shù)能夠在未來5年內(nèi)帶來真正的投資回報(bào)， 如2017/2018 Gartner技術(shù)成熟度曲線所示（參見圖2）。

圖2：Gartner技術(shù)成熟度曲線

2017年的Gartner圖表表明，AR和VR有望在2年到10年內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的發(fā)展，而VR要**AR數(shù)年。這是大多數(shù)AR/VR分析師所認(rèn)可的概念。有趣的是，修訂后的2018年圖表不再顯示VR，而是MR。VR在2018年進(jìn)入了一個(gè)更為成熟的階段，甚至成為一種商品，所以Gartner將其從新興技術(shù)類別中移除。

上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。