Creal分享AR组合器对比：HOE vs 衍射波导 vs 光场HOE

　　于2017年底成立的CREAL位于瑞士洛桑，是一家专注于为AR和VR头显构建光场显示技术的公司。团队成员的背景来自英特尔、Magic Leap、CERN、洛桑联邦理工学院等著名企业和机构。

　　这家公司早前已经多次演示过自己的光场技术，并展示了非常震撼的视觉效果。团队在2021年初发布了一款VR头显原型和一款AR头显原型。尽管当前的原型非常巨大，但公司预计到2022年底能够进一步缩小光场显示技术。他们同时相信它可以实现微型化，以适应紧凑型AR眼镜。

　　日前，团队以“AR的圣杯：光场全息透镜(Light-field holographic lens: the holy grail of AR)”一文介绍了他们的全息透镜，以及行业的其他方案。下面是映维网的具体整理：

　　团队宣称，这个视频展示了CREAL光场技术的主要优点之一：自然舒适地聚焦于近距离显示的对象。CREAL的光场允许用户可以在任何距离以高质量和正确的深度体验数字图像，仿佛它就是真实的一样。

　　AR眼镜的圣杯：光场全息透镜

　　AR眼镜最关键的元件之一是“镜片”：透镜。AR眼镜的透镜称为Combiner组合器，而它的要求似乎违反了物理定律，因为其需要将现实世界与数字图像融合在一起。理想情况下，透镜对用户以及注视用户眼睛的第三人而言应该是完全透明，并且不应该产生不必要的伪影，比如彩虹伪影或发光。

　　同时，它需要向用户的眼睛提供高质量、明亮和节能的真实3D图像，并且必须为现实世界和数字内容提供用户所需的视力校正。然后，眼镜必须适配每名用户，同时看起来与经典眼镜一样时尚。当然，它们的价格需要足够亲民。

　　CREAL自研了尽可能接近这一愿景的Combiner组合器。CREAL的光场全息Combiner组合器器实现了时尚、舒适、低成本、能够校正视力的AR眼镜。

　　赋能下一个划时代产品

　　在过去的数十年间，通信技术最伟大、最大胆的使命是带来舒适、时尚、实惠、并且能够以最无缝方式提供所有数字信息的AR眼镜。这是下一个划时代的产品。

　　一个问题是如何创建这样的图像。另一个问题是如何将这样的图像与真实世界的光一起传递给眼睛。CREAL在这里只探讨后一个问题。

　　你有看过完全透明，同时又完全反射的组件设备吗?没有。大致来说，这就是CREAL的目标。在深入研究更多技术细节之前，CREAL先简单说说答案。到目前为止，只有两种组合器概念达到了产品成熟度的水平，足够轻薄且美观，并提供了某种形式的视力校正：全息光学元件(HOE)和衍射波导。

　　AR眼镜的第一个商业化HOE组合器大概是来来自于索尼开发，随后是英特尔(Vaunt)、North(Focals)等。HOE基本上是一种可与头发媲美的薄膜，它可以允许几乎所有的可见光毫无影响地通过，同时以所需的方式反射一种或多种选定的颜色。所以，AR眼镜的HOE对几乎所有现实世界的光线都完全透明，但又几乎可以反射显示器投射的所有光线(当然，显示器只能使用与HOE相互作用的少数选定颜色)。

　　HOE的物理概念非常简单，它们具有极高的能效和低成本，可以直接嵌入传统的视力校正镜片之中。

　　HOE组合器的缺点是(至少对于英特尔和North而言)，整个图像通过瞳孔附近的一个小区域传送到眼睛。当瞳孔移出这个区域时(这种情况经常发生)，数字图像就会丢失。因为这个小小区域(出瞳)，投射的图像会携带光学路径上所有灰尘和瑕疵的阴影，包括用户的睫毛。同时，它对系统的任何变化非常敏感，包括机械和温度变化。

　　另一个缺点是，尽管并非在所有情况下都存在，但数字图像是通过眼睛和透镜之间的自由空间从眼镜太阳穴投射到HOE组合器。这会产生额外的光学变形，而用户的睫毛可能会干扰数字图像。

　　衍射波导组合器

　　衍射波导组合器是当今的主流，原因或许是它们非常神奇。衍射波导组合器已经在Vuzix、HoloLens 1和HoloLens 2，以及Magic Leap 1中亮相，并且会登陆Magic Leap 2和众多其他产品。

　　衍射波导的工作原理类似于潜望镜。微型显示器的数字图像注入波导一侧的一个小输入端。然后，光通过波导表面之间的反弹传播。每次光线碰到表面之上的衍射光栅时，其中一部分以预定的方式离开波导，其余部分继续传播，直到它碰到光栅的其他地方。因此，每条光线以相同的角度通过众多不同的位置离开波导管。

　　这称Ppupil Replication光瞳复制，它有效地扩大了出瞳。由于相同光线的所有平行实例代表相同的像素，波导将像素的焦距设置为无穷远。由于衍射光栅实际上可以覆盖所需的任意大面积，所以它通常可以解决前面提到的出瞳过小问题。但这同样存在一个问题。

　　波导必须扁平，它们不像HOE那样透明或有选择性，并且会产生一定的彩虹伪影。它们需要努力确保数字图像具有良好的色彩均匀性。它们的视场受到严格限制。它们经常将光线向外照射，令社交目光接触变得困难。另外，你需要额外添加视力校正镜片，从而令整体更厚，并增加本已相当可观的成本。最重要的是，衍射波导的光效率极低。眼睛接收到的光线少于注入波导的1%。

　　事实上，智能眼镜的光效低得令人望而却步。电池的大部分容量都用到了光损耗。最后，衍射波导无法传输具有自然焦距的3D图像，至少目前暂时不能够以真正的焦距投影3D图像。

　　上述任何一种经典组合器都无法将这个图像传递到眼睛。

　　经典HOE的小出瞳没有焦深，就像针孔摄像头图像一样。衍射波导的基本功能定义了显示注入图像的固定焦平面。它们同样没有焦深。光场技术需要一个大的出瞳，但不需要光瞳复制。

　　所以，CREAL开发了自己的光场组合器。它与上文描述的HOE类似，只是光场HOE反射众多小出瞳，并由它们共同构成一个大出瞳，从而形成一个大视窗。

　　这是可能的，因为光场投影本身补偿了与大出瞳和非对称光学相关的畸变，而这对于任何其他经典类型的显示器来说都非常困难，更不用说经典显示器会提供扁平图像。因此，光场HOE组合器提供了经典HOE的所有优点，但同时又消除了它们最大的缺点：出射光瞳小。作为一大优势，它为真实世界和数字内容提供了具有自然焦距和视力校正的真实3D图像。

　　CREAL光场HOE组合器的主要技术优势概述

　　兼容视力校正：CREAL的光场HOE组合器放置在传统透镜之上，保留了外表面曲率的美学和内表面曲率的校正功能

　　组合器将相应的校正应用于光学和数字虚拟图像，使真实世界和数字世界在光学上完全相同

　　组合器的生产可以充分利用现有的7亿/年个透镜制造生态系统。

　　高光效/能效：CREAL的全息透镜可反射高达50%的选定波长，且可确保高达约4%的总光源-眼睛效率。这个数字似乎很小，但实际上已经非常高。相比之下，波导只有约0.02%的光源-眼睛效率，比CREAL的光场HOEC组合器器低100倍。在未来，眼动追踪可以令效率提高四到五倍。

　　宽视场：CREAL的全息透镜对视场没有严格限制。薄膜可以覆盖整个透镜，为未来增加视场留有空间。

　　高度可定制，成本低廉

　　数字图像的校正功能部分记录在HOE中，部分通过投影引擎进行数字调整，实现了多种视力支持和美学设计。

　　其他技术规格：

　　适眼距~20 mm

　　色彩高度均匀

　　几乎没有彩虹伪影

　　几乎没有向外透光

　　非光瞳复制组合器

　　将真实世界与数字世界进行光学结合的最直接的方法是使用一种半反射镜透射现实世界的光，并部分反射显示器的光。最简单的例子是一种表面涂有反光金属的玻璃。当一个半反射镜像勺子一样弯曲时，它可以放大一个小显示器，并将其图像放在你面前一定的距离，而不会改变现实世界。例如，这是Meta和Project North Star的方法。

　　缺点同样明显。透明度和反射率相互竞争(更透明意味着更少反射，反之亦然)，同时光学器件的外观不可避免地有点尴尬。另一种可能是所谓的Birdbath组合器，它类似于弯曲的半反射镜，但由于增加了一个平面半镜，所以具有更对称的配置。它可以稍微小一点，失真较小，但它依然很厚，透明度差，视场有限。最著名的例子是Nreal。

　　纯反射组合器的优点是可以传输具有焦深的图像(Avegant、Lightspace Technologies)。或许更时尚的组合器是带针镜的光波导，例如LetinAR或Kura。光波导基本上一块玻璃，它将来自微型显示器的光在平行表面之间反射，直到碰到众多小斜面中的一个。然后，它将光线反射到眼睛，而真实世界的光线围绕着反射镜传递。最终，它的工作原理就像一个带有镜点的玻璃。

　　透明度和反射率之间的基本折衷依然存在，但光学结构可以非常薄和平。主要缺点是，针状镜就像玻璃上的小点一样清晰可见(但理论上说这可以消除)，用户将数字图像视为部分重叠。另一个问题是太小的反射镜会将分辨率限制在衍射极限。

　　光瞳复制组合器

　　这种反射镜为何不能一直连续下去，只是部分透镜和堆叠呢?这正是Lumus所做的事情。它在玻璃基板形成了一堆倾斜的半反射镜。显示器发出的光线在玻璃板的外表面之间反弹，直至碰到内部的半镜，然后半镜将光线反射到眼睛。

　　光线的非反射部分继续在曲面之间反弹，直到碰到下一个半镜，然后是下一个半镜，依此类推。结果非常出色。Lumus有可能制作出当今最高质量的AR图像，但除了成本、复杂性和扁平数字图像之外，这一概念的最大缺点可能是视场。最大视场由镜片平行外表面之间的最大反射角给出。这不能大于玻璃材料的特性所给出的总内反射角。

　　更宽的视场需要昂贵且通常较重的材料。对同一光线的重复反射触及了另一个问题：光学扩展量。简单地说，光学扩展量决定了视场和出瞳之间的权衡。视场越大，出瞳越小。

　　问题是CREAL希望两者都要大。这就是为什么最初出现了具有相同光线重复反射的组合器，比如Lumus制造的组合器。这种光瞳复制避开了光学扩展量的限制。视窗实际上可以像你希望的那样大，绝对足够大。

　　具有衍射光栅或全息光栅的波导组合器

　　我们可以增加类似于Lumus光导一样执行光瞳复制(出于相同的目的)，但通过不同机制的波导。光通过与衍射光栅或全息光栅的相互作用离开波导，而不是通过斜镜的反射离开波导。这需要非常精细的图案，以类似于CD或DVD表面的方式与光相互作用。如果设计得当，它们可以完成所需的工作。

　　波导传输光场或全息图像

　　对于可以将光与编码焦深分离，并在离开波导的光中保持焦深的先进波导组合器，我们目前知之甚少。据报道，VividQ等数家公司正在投资开发。如果其他参数(如效率、透明度、分辨率和视场)足够好，这样的波导可能会成为赢家。如果你知道其他组合器概念，请联系CREAL。CREAL非常乐意添加它们。