這家公司早前已經多次演示過自己的光場技術，并展示了非常震撼的視覺效果。團隊在2021年初發布了一款VR頭顯原型和一款AR頭顯原型。盡管當前的原型非常巨大，但公司預計到2022年底能夠進一步縮小光場顯示技術。他們同時相信它可以實現微型化，以適應緊湊型AR眼鏡。

圖 來源：Creal官網

日前，團隊以“AR的圣杯：光場全息透鏡（Light-field holographic lens: the holy grail of AR）”一文介紹了他們的全息透鏡，以及行業的其他方案。

AR眼鏡的圣杯：光場全息透鏡

AR眼鏡最關鍵的元件之一是“鏡片”：透鏡。AR眼鏡的透鏡稱為Combiner組合器，而它的要求似乎違反了物理定律，因為其需要將現實世界與數字圖像融合在一起。理想情況下，透鏡對用戶以及注視用戶眼睛的第三人而言應該是完全透明，并且不應該產生不必要的偽影，比如彩虹偽影或發光。

同時，它需要向用戶的眼睛提供高質量、明亮和節能的真實3D圖像，并且必須為現實世界和數字內容提供用戶所需的視力校正。然后，眼鏡必須適配每名用戶，同時看起來與經典眼鏡一樣時尚。當然，它們的價格需要足夠親民。

CREAL自研了盡可能接近這一愿景的Combiner組合器。CREAL的光場全息Combiner組合器實現了時尚、舒適、低成本、能夠校正視力的AR眼鏡。

賦能下一個劃時代產品

在過去的數十年間，通信技術最偉大、最大膽的使命是帶來舒適、時尚、實惠、并且能夠以最無縫方式提供所有數字信息的AR眼鏡。這是下一個劃時代的產品。

一個問題是如何創建這樣的圖像。另一個問題是如何將這樣的圖像與真實世界的光一起傳遞給眼睛。CREAL在這里只探討后一個問題。

你有看過完全透明，同時又完全反射的組件設備嗎？沒有。大致來說，這就是CREAL的目標。在深入研究更多技術細節之前，CREAL先簡單說說答案。到目前為止，只有兩種組合器概念達到了產品成熟度的水平，足夠輕薄且美觀，并提供了某種形式的視力校正：全息光學元件（HOE）和衍射波導。

AR眼鏡的第一個商業化HOE組合器大概是來來自于索尼開發，隨后是英特爾（Vaunt）、North（Focals）等。HOE基本上是一種可與頭發媲美的薄膜，它可以允許幾乎所有的可見光毫無影響地通過，同時以所需的方式反射一種或多種選定的顏色。所以，AR眼鏡的HOE對幾乎所有現實世界的光線都完全透明，但又幾乎可以反射顯示器投射的所有光線（當然，顯示器只能使用與HOE相互作用的少數選定顏色）。

HOE的物理概念非常簡單，它們具有極高的能效和低成本，可以直接嵌入傳統的視力校正鏡片之中。

HOE組合器的缺點是（至少對于英特爾和North而言），整個圖像通過瞳孔附近的一個小區域傳送到眼睛。當瞳孔移出這個區域時（這種情況經常發生），數字圖像就會丟失。因為這個小小區域（出瞳），投射的圖像會攜帶光學路徑上所有灰塵和瑕疵的陰影，包括用戶的睫毛。同時，它對系統的任何變化非常敏感，包括機械和溫度變化。

另一個缺點是，盡管并非在所有情況下都存在，但數字圖像是通過眼睛和透鏡之間的自由空間從眼鏡太陽穴投射到HOE組合器。這會產生額外的光學變形，而用戶的睫毛可能會干擾數字圖像。

衍射波導組合器

衍射波導組合器是當今的主流，原因或許是它們非常神奇。衍射波導組合器已經在Vuzix、HoloLens 1和HoloLens 2，以及Magic Leap 1中亮相，并且會登陸Magic Leap 2和眾多其他產品。

衍射波導的工作原理類似于潛望鏡。微型顯示器的數字圖像注入波導一側的一個小輸入端。然后，光通過波導表面之間的反彈傳播。每次光線碰到表面之上的衍射光柵時，其中一部分以預定的方式離開波導，其余部分繼續傳播，直到它碰到光柵的其他地方。因此，每條光線以相同的角度通過眾多不同的位置離開波導管。

這稱Ppupil Replication光瞳復制，它有效地擴大了出瞳。由于相同光線的所有平行實例代表相同的像素，波導將像素的焦距設置為無窮遠。由于衍射光柵實際上可以覆蓋所需的任意大面積，所以它通常可以解決前面提到的出瞳過小問題。但這同樣存在一個問題。

波導必須扁平，它們不像HOE那樣透明或有選擇性，并且會產生一定的彩虹偽影。它們需要努力確保數字圖像具有良好的色彩均勻性。它們的視場受到嚴格限制。它們經常將光線向外照射，令社交目光接觸變得困難。另外，你需要額外添加視力校正鏡片，從而令整體更厚，并增加本已相當可觀的成本。最重要的是，衍射波導的光效率極低。眼睛接收到的光線少于注入波導的1%。

事實上，智能眼鏡的光效低得令人望而卻步。電池的大部分容量都用到了光損耗。最后，衍射波導無法傳輸具有自然焦距的3D圖像，至少目前暫時不能夠以真正的焦距投影3D圖像。

上述任何一種經典組合器都無法將這個圖像傳遞到眼睛。

經典HOE的小出瞳沒有焦深，就像針孔攝像頭圖像一樣。衍射波導的基本功能定義了顯示注入圖像的固定焦平面。它們同樣沒有焦深。光場技術需要一個大的出瞳，但不需要光瞳復制。

所以，CREAL開發了自己的光場組合器。它與上文描述的HOE類似，只是光場HOE反射眾多小出瞳，并由它們共同構成一個大出瞳，從而形成一個大視窗。

這是可能的，因為光場投影本身補償了與大出瞳和非對稱光學相關的畸變，而這對于任何其他經典類型的顯示器來說都非常困難，更不用說經典顯示器會提供扁平圖像。因此，光場HOE組合器提供了經典HOE的所有優點，但同時又消除了它們最大的缺點：出射光瞳小。作為一大優勢，它為真實世界和數字內容提供了具有自然焦距和視力校正的真實3D圖像。

CREAL光場HOE組合器的主要技術優勢概述

• 兼容視力校正：CREAL的光場HOE組合器放置在傳統透鏡之上，保留了外表面曲率的美學和內表面曲率的校正功能
• 組合器將相應的校正應用于光學和數字虛擬圖像，使真實世界和數字世界在光學上完全相同
• 組合器的生產可以充分利用現有的7億/年個透鏡制造生態系統。
• 高光效/能效：CREAL的全息透鏡可反射高達50%的選定波長，且可確保高達約4%的總光源-眼睛效率。這個數字似乎很小，但實際上已經非常高。相比之下，波導只有約0.02%的光源-眼睛效率，比CREAL的光場HOEC組合器器低100倍。在未來，眼動追蹤可以令效率提高四到五倍。
• 寬視場：CREAL的全息透鏡對視場沒有嚴格限制。薄膜可以覆蓋整個透鏡，為未來增加視場留有空間。
• 高度可定制，成本低廉
• 數字圖像的校正功能部分記錄在HOE中，部分通過投影引擎進行數字調整，實現了多種視力支持和美學設計。

其他技術規格：

• 適眼距~20 mm
• 色彩高度均勻
• 幾乎沒有彩虹偽影
• 幾乎沒有向外透光

非光瞳復制組合器

將真實世界與數字世界進行光學結合的最直接的方法是使用一種半反射鏡透射現實世界的光，并部分反射顯示器的光。最簡單的例子是一種表面涂有反光金屬的玻璃。當一個半反射鏡像勺子一樣彎曲時，它可以放大一個小顯示器，并將其圖像放在你面前一定的距離，而不會改變現實世界。例如，這是Meta和Project North Star的方法。

缺點同樣明顯。透明度和反射率相互競爭（更透明意味著更少反射，反之亦然），同時光學器件的外觀不可避免地有點尷尬。另一種可能是所謂的Birdbath組合器，它類似于彎曲的半反射鏡，但由于增加了一個平面半鏡，所以具有更對稱的配置。它可以稍微小一點，失真較小，但它依然很厚，透明度差，視場有限。最著名的例子是Nreal。

純反射組合器的優點是可以傳輸具有焦深的圖像（Avegant、Lightspace Technologies）?；蛟S更時尚的組合器是帶針鏡的光波導，例如LetinAR或Kura。光波導基本上一塊玻璃，它將來自微型顯示器的光在平行表面之間反射，直到碰到眾多小斜面中的一個。然后，它將光線反射到眼睛，而真實世界的光線圍繞著反射鏡傳遞。最終，它的工作原理就像一個帶有鏡點的玻璃。

透明度和反射率之間的基本折衷依然存在，但光學結構可以非常薄和平。主要缺點是，針狀鏡就像玻璃上的小點一樣清晰可見（但理論上說這可以消除），用戶將數字圖像視為部分重疊。另一個問題是太小的反射鏡會將分辨率限制在衍射極限。

光瞳復制組合器

這種反射鏡為何不能一直連續下去，只是部分透鏡和堆疊呢？這正是Lumus所做的事情。它在玻璃基板形成了一堆傾斜的半反射鏡。顯示器發出的光線在玻璃板的外表面之間反彈，直至碰到內部的半鏡，然后半鏡將光線反射到眼睛。

光線的非反射部分繼續在曲面之間反彈，直到碰到下一個半鏡，然后是下一個半鏡，依此類推。結果非常出色。Lumus有可能制作出當今最高質量的AR圖像，但除了成本、復雜性和扁平數字圖像之外，這一概念的最大缺點可能是視場。最大視場由鏡片平行外表面之間的最大反射角給出。這不能大于玻璃材料的特性所給出的總內反射角。

更寬的視場需要昂貴且通常較重的材料。對同一光線的重復反射觸及了另一個問題：光學擴展量。簡單地說，光學擴展量決定了視場和出瞳之間的權衡。視場越大，出瞳越小。

問題是CREAL希望兩者都要大。這就是為什么最初出現了具有相同光線重復反射的組合器，比如Lumus制造的組合器。這種光瞳復制避開了光學擴展量的限制。視窗實際上可以像你希望的那樣大，絕對足夠大。

具有衍射光柵或全息光柵的波導組合器

Creal可以增加類似于Lumus光導一樣執行光瞳復制（出于相同的目的），但通過不同機制的波導。光通過與衍射光柵或全息光柵的相互作用離開波導，而不是通過斜鏡的反射離開波導。這需要非常精細的圖案，以類似于CD或DVD表面的方式與光相互作用。如果設計得當，它們可以完成所需的工作。

波導傳輸光場或全息圖像

對于可以將光與編碼焦深分離，并在離開波導的光中保持焦深的先進波導組合器，我們目前知之甚少。據報道，VividQ等數家公司正在投資開發。如果其他參數（如效率、透明度、分辨率和視場）足夠好，這樣的波導可能會成為贏家。

原文鏈接：

https://creal.com/2022/10/11/insight-light-field-holographic-lens-the-holy-grail-of-ar-glasses/

翻譯：映維網news.nweon.com/101387

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原文始發于微信公眾號（艾邦VR產業資訊）：光場顯示技術公司Creal分享AR組合器對比：HOE VS 衍射波導 VS 光場HOE