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从AR光学开始,了解AR眼镜

从软件开发工具(SDK,Software Development Kit)来说,虽然苹果和谷歌没有推出 AR 眼镜的OS,但却推出了手机/平板用的ARKIT和ARCore,给内容商发开发AR应用,理论上…

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作者:梁宏恩,HTC VIVE X加速器,VR陀螺授权首发

Magic Leap作为最早开始被人记住的AR硬件公司,迄今为止的融资总额达到了26亿美元左右,它的股东包括了谷歌、高通、JP Morgan、阿里巴巴以及后来入场的日本电信NTT;Apple早在2013年就开始为自己的AR硬件铺路,2018年更是直接收购了生产用于AR眼镜上的波导反射镜片公司 Akonia Holographics,同时也在一边申请了200多个包括头戴式显示系统在内的AR硬件相关技术专利;不仅国外大厂如此,国内的众多AR硬件生产公司也在2019年年初纷纷拿到了风投,在短短的几个月内,出现了近十笔涉及AR硬件核心技术的投资,每笔规模都在数千万人民币以上。

尽管所有人都认为AR会变成像智能手机一样强大,但是我们至今仍未能够在市面上看到一款令人满意的AR眼镜,这样庞大的投入和关注都未能带来一款撑得起口碑的产品,AR眼镜的难点究竟是什么?

Part 1

AR产业链的关键部分

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首先让我们来看看AR硬件整个生态现在的情况如何。我们抽取其中最关键部分归纳为光学、整机、操作系统及软件开发工具 、内容 。

光学

简单来说,AR眼镜的光学部分 ,就是智能手机的屏幕。AR(增强现实,Argumented Reality)本质上是将设备生成的影像和现实世界重叠,大部分的技术都是通过光学组件进行反射、折射、衍射,最终到你的视网膜上成像。

现在 AR 的光学,依然处于发展阶段。早期的AR产品,大概类似于诺基亚年代手机的屏,亮度低,可视角小,笨重,耗电。而以不同的光学技术为核心制造出来的AR眼镜,存在着相当大的差别,甚至可以理解为不同的物种;没有一个统一的产品形态,内容、平台等等的生态只是没有基础的空中楼阁。

在我们看来,AR光学一天没有标准,不能做到大视角、轻便、省电、低成本,AR眼镜就不可能普及。AR光学是创业团队能突围而出的领域,所以也是VC投资的热点,当然也是这整个文章的重心所在。

整机

手机产业链最赚钱的就是整机,目前全球范围内,最有实力而且已经制造出最完整的AR眼镜整机的两大企业,分别是微软和Magic Leap。他们不但制造整机,还开发自己的AR OS/SDK,光学模组,内容,甚至AR芯片。

国内的大部分AR整机厂商,都是初创企业,技术和资源都不可能和微软、Magic Leap相比。主要是利用国内完善的加工产业链,推出自己的整机产品,但多数不掌握核心部件的研发能力。目前看来,国内的AR整机厂,优劣还是看产品化的能力,和2B/2G的市场能力。但当AR眼镜由2B转变为2C市场时,手机的大厂一定会进场,2B的市场能力也不再适用。

操作系统及软件开发工具

如果未来AR眼镜会和智能手机一样的普及, AR眼镜的OS(Operation System,操作系统)会是AR生态链的最顶端,就好像IOS和安卓在手机产业的地位。但目前苹果和谷歌也没有正式推出(再推出) AR眼镜的产品,当然也没有相关的OS。目前除了微软和Magic Leap有自己AR眼镜的 OS 外,其他大多 AR眼镜整机的 OS,也是改自安卓。目前看起来,AR 眼镜的OS,初创企业很难能和世界科技巨头竞争。

从软件开发工具(SDK,Software Development Kit)来说,虽然苹果和谷歌没有推出 AR 眼镜的OS,但却推出了手机/平板用的ARKIT和ARCore,给内容商发开发AR应用,理论上是为了 AR 眼镜的生态建设铺路。华为,百度,网易等也有提供类似的AR SDK。微软和Magic Leap,也提供了其AR 眼镜的SDK,他们的SDK,可能就是和其他国内AR整机企业的最大差别之一。没有完善的SDK,也不会有第三方去开发;很多中国的整机商,团队以硬件为主,能否提供完善的SDK也是一个非常重要的能力体现。

另外一个层面上来说,AR SDK的功能和传感器相关,目前 AR 眼镜应标配什么传感器也没有定论,因此对于SDK的市场机会,目前还是言之尚早。更广义地讲,AR SDK也包括AR云等,如美国的Ubiquity6,去年拿了近3千万B轮,投资机会还是存在,但目前看来不多。

内容

除了微软和Magic Leap以外,很少独立内容开发者为其他AR整机开发应用,原因也很简单,微软和Magic Leap 的AR整机加起来也没有多少量,更不要说其他厂商了。

不少中国的AR整机厂商,会针对B端的客户定制内容,以项目形式,软硬件后台系统整合的方案高价出售。因为没有独立内容开发者,有些整机连SDK都没有提供,更不要说应用商店等平台。AR的手机内容,有可能会出现爆款游戏;但目前AR眼镜的内容,暂时没看到有成为杀手级应用的可能性,也代表没有多少投资机会。

我们整理了目前市面上部分AR领域供应商,并进行了分类,通过对比可以清晰地看到目前整个行业的分布和各家所长。

通过以上的分析,我们可以清楚地看到,目前AR眼镜的窘境是在于一个被普遍认可的产品形态仍然没有被清晰地定义出来,其中最为关键的部分,就是产品所采用的AR光学。

Part 2

AR光学的分类

那么,目前市面的AR光学方案有哪些?它们的优点和缺点是什么?

正如前文所讲,AR光学在AR产业链里目前最有投资看点,坊间也有一些相关AR光学的专题文章,但是普遍来讲,分类过度着重如光路设计,材料等技术,一般读者和甚至投资人难以理解。

我们尝试以产品的外观,成像效果,使用场景和成本等分类,再加以技术细分,让大家更容易明白和记住。以下我们把AR光学,分成小棱镜类,曲面反射类(大曲面,小曲面),光波导类(反射光波导,蚀刻光栅波导,全息光栅波导),小孔成像等其他类别。

I) 小棱镜类Prism

Google Glass上使用的光学方案。通过投影到带有切割反射面的小棱镜上成像,光的传播路径上,较多采用半透半反平面和球面的反射的方式(称为Birdbath)。也有采用其他镜面做反射的产品,但普遍以棱镜为主。一般视场角约20度,重量约50克。

棱镜的光学部分成本大概只需小几十美金,方案比较成熟,技术门槛低,已经有多家厂家推出过类似产品。由于重量轻,容易布置到普通眼镜上,在很多信息提示的应用场景中被推荐使用,例如公安执法,工业远程协助。因为不会遮挡人眼的视线,有案例指出,工人在工业使用中认为棱镜类方案甚至比微软Hololens2更方便实用。

因为视场角小,小棱镜类方案大概只能成为Apple Watch或小米手环等显示通知的配件,是没可能实现Magic Leap的鲸鱼在体育场跳水的AR效果,和大众对AR的期望有差距。除了个别行业应用,小棱镜类很难会出现消费级的产品。

II) 曲面反射类Surface Reflection

曲面反射类主要利用镜面反射的原理成像,在光传播路径的设计上,可采用Birdbath方式,或投影到镀膜曲面上进行反射(称为离轴反射)等光学方案。但以光路和组合镜的方式来划分对普通读者过于复杂,所以我们只简单分为大曲面与小曲面类。大曲面与小曲面的类别的区分其实并不严格,市场上有一些产品已处于分类的边界。

1. 大曲面类Big Curved

视场角最大(110度)的光学方案,也就是前些年星战AR头显的方案。成本低(小几十美元),技术成熟,良好的成像效果和超大视场角,带来很高的沉浸体验,但体积过大,不便于日常长时间佩戴,但用户可以戴眼镜,市场机会在线下AR游戏,主题乐园,教育和工业培训等。目标市场明显,但技术门槛低。

(如图:眼前一块较大反射镜片或虫眼式镜片,体积一般较大类似头盔,覆盖到额头的位置,整体眼镜向前突出)

2. 小曲面类Small Curved

接近普通眼镜外观的曲面反射眼镜,市场上目前具有高性价比。小曲面类可以有棱镜组合或镀膜反射镜组合,原理基本上与大曲面类似,但是得益于超小的显示器件,垂直高度非常紧凑,集成传感电路后,体积和厚度也可做到太阳眼镜大小。一般地,视场角可以做到30-50度,空心的小曲面模组重量很轻只有约10克。

小自由曲面眼镜成本较低,成像效果优良,体积也适合佩戴。使得在最近的一段时间内,出现了不少采用此方案的新产品上市,看似是未来一两年国内AR产品主流。

不过,小自由曲面依然需要一定的厚度来形成反射镜,所以无法最终做到如同普通眼镜的厚度。还有大多数镜片表面有明显的反射图案,影响佩戴者形象上的亲切感。

小曲面模组一般单个带显示电路的模组价格在200美金左右。

III) 光波导类Waveguide

光波导方案,利用光在玻璃镜片中的全反射原理,可以做到在一块仅为2mm厚度的镜片上传输影像。产品在重量大小和形态上是最接近传统眼镜,长远来说是最有潜力的消费级AR光学方案。

我们将其分为以下三类。

1. 反射光波导Reflective Waveguide

市场上最早出现的近似普通眼镜的AR方案。反射光波导利用投影光在超薄玻璃中全反射,到特定位置反射入眼成像。视场角约30-50度,重量可以到100克以内。

反射光波导早期由于做到接近于日常佩戴眼镜的厚度的观感而受到高度关注。因为全色彩的反射,使得镜片很薄的同时,成像效果清晰,色彩还原度高。

但是以色列厂商LUMUS在此方案上积累了很多的专利,国内外大部分厂家要出口产品的话,目前都很难绕过。而且阵列反射光波导因为本身工艺的复杂(玻璃的切割、镀膜、粘贴、打磨),造成了生产良率较低,很难提高,所以单片光学模组成本较贵。

反射光波导带显示电路的模组价格高达数百美元。

2. 蚀刻光栅波导DOE

目前微软和Magic Leap的AR眼镜方案采用的光学方案。衍射光波导利用投影光在超薄玻璃中全反射,在特定位置遇上蚀刻的光栅,发生衍射现象,折射成像。视场角目前大约30-50度,整机重量数百克。

衍射光波导只需要在镜片上蚀刻压印出规律性的纹理,所以可以用很小的面积来成像。也有厂家通过多层镜片的叠加,做出多个焦距的画面。蚀刻的工艺可以采用半导体行业成熟的制造技术,所以大批量生产时良率很高,成本远低于几何光波导方案。半导体工艺与设计的要求,使得技术和资金壁垒很高。

但是光的衍射会造成色散,使得画面成像时需要按照色彩的分布规律重新绘制图案,需要一定的算法设计能力,由于原理上的缺陷,依然会出现色彩与原图案的差别,普遍存在色彩还原度较差的问题,画面出现彩虹效应。

目前带显示电路的衍射波导模组,价格高达数百美元,但长远来讲,量产成本会逐步降低。

3. 全息光栅波导HOE

最接近普通眼镜形态的全彩色AR眼镜,但也是最不成熟的方案。全息光波导利用光在超薄玻璃中全反射,在特定位置遇上全息材料的薄膜,反射成像。虽然名称中有全息,但只是利用了全息照相的原理在镜片上制作一层薄膜,并非代表成像效果具有全息景深。一般视场角约30-40度,整机重量可以在100克以内。

全息光波导可以在曲面形状的单层镜片上进行曝光形成全息膜,所以可以生产出最接近传统有曲面的眼镜的AR产品。而且不需要大型的生产设备,成本只依赖玻璃和全息膜,可以做到最便宜的光波导方案。

但是全息镀膜的化学一致性较难控制,而且全彩色时有图像色彩吻合等问题,暂时没有成熟的彩色量产产品。

全彩色的全息波导的光学镜片,价格一般几十美元,甚至有团队宣称未来可以做到接近20美元。

顺便提一下,部分采用全息成像的AR眼镜无需光波导材料作为传播介质,直接反射成像,可称为全息光栅透镜技术。产品轻便度和成像效果与全息波导类产品类似。例

如下图的North Focals

IV) 其他类别

1. 小孔组合镜类Pinhole Mirror

异军突起的高性价比AR方案。利用光波导与带微结构的小孔阵列进行成像。小孔微结构可避免了一般组合镜较复杂的合并工艺,可以在很薄的镜片上实现,而且折射角度可以更大。视场角号称80度,重量可以100克内。

小孔组合镜通过波导材料传输图像到几个小孔中发生反射,完成成像,需要一定的设计能力。生产成本只依赖于镜片与小孔加工的难度和一致性。而且小孔成像的视场角很宽,光线没有散射现象,图像还原度高。

目前根据看过样品的人的反映,需要靠近到镜片很近的位置,才可以看到成像效果,但是画面清晰。

韩国的Letin AR是此领域的领先者,目前市场上还没有量产产品。

此外Vive X第二期的旧金山初创公司Kura AR近期推出了名为Gallium的AR眼镜,其中也采用了Pinhole Mirror类的技术,号称视场角可以做到150度。

2. 视网膜投影

坊间有不同的名字,包括视网膜成像,激光扫描等。

由低功率的激光光源,通过MEMS上的镜片扫描反射,不需要通过角膜和晶状体聚焦,接射入视网膜成像。优点是高亮度(20000nit),功耗超低,FOV大(70度)。

但利用激光进行视网膜投影遇到的主要挑战是可视范围非常小(注意:可视范围和可视角FOV不是同一个概念),也就是眼球稍微移动后,激光扫描的成像点就会有所偏差 ,无法实现清晰成像。要製造成AR眼镜,需要非常精确和快速的眼球追蹤,甚至要比目前市面上Tobii和七鑫易维还要精确十倍以上才能实现。

因为任何视网膜的损伤,都是不可逆转的,尽管激光的功率多低,直接用激光投到视网膜,都是有一定的风险,最终用户和厂家大概不太愿意承担。

我们曾经在国外亲身体验视网膜成像,和精确的眼球追蹤,光度足以在白天的天空中成像,但产品原型的体积仍然较大,基于保密原因,我们不能透露更多的信息。

如图为日本半导体激光器研发、制造和销售公司QD Laser的RETISSA Display II眼镜。

3. See Through模式

通过VR设备的前置摄像头采集周围环境,再在屏幕中展示合成的图像。优点是FOV很大,技术成熟,虚拟影像可以深度融合现实世界,举个极端例子,你可以把眼前的女生实时换脸,换装,这是之前所说的AR技术都做不到的。

目前主要问题是VR设备比较大,像素相比视网膜还不算高。而且重新合成图像比肉眼观察周围实景有一定的延迟。但未来的VR设备会越来越轻薄高清,延迟的问题也会因算力的提升和5G而解决。See Through也有可能成为未来AR的一个强力选项。

4. 其他组合镜

AR光学依然在发展阶段,下图是 SIGGRAPH 2019 上出现的NVIDIA AR光学方案,融合了棱镜、小曲面、全息HOE等等光学组件。

Part 3

为了更好地对比,我们整理了下面这张表格,其中以消费者的角度,建立了以下几个维度:

成本:预计量产成本(成本越高,评分越低)
技术壁垒:技术研究的复杂以及专利等壁垒(壁垒越高,评分越高)
成熟度:技术与量产的距离
硬件舒适度:重量、大小等
成像效果:视场角,出瞳、景深、多重景深等综合效果

最后我们也整理了市场上多数整机产品的光学方案。

MP:规模量产 PT:产品原型已完成 ODM:由第三方设计

本文作者:梁宏恩,HTC VIVE X加速器 资深技术经理

HTC VIVE X加速器 从2016年开始聚集AR/VR行业的早期投资,接触近千家AR/VR创业团队,投资过百个创业团队,为多家VC、行业伙伴提供决策咨询。

Vive X 加速器得益于Vive在VR AR产业的领先地位,一直以来得到行业内很多伙伴的支持,我们有幸可以看到来自包括欧洲,以色列,美国,日本等不同公司的领先的解决方案。我们也会持续地为行业投入资源,帮助初创企业快速成长。

希望能够通过这样一篇文章,来让更多的投资人以及行业伙伴了解目前AR硬件以及AR光学的发展,欢迎各位有兴趣的读者与我们交流。

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