這篇文章介紹了近眼光學(xué)的相關(guān)知識(shí)，分析了波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)聚焦于全息波導(dǎo)領(lǐng)域，和其中的佼佼者——DigiLens公司。

近眼光學(xué)（Near-eye Optics）的基礎(chǔ)知識(shí)

大多數(shù)人在接觸過如Google Glass等產(chǎn)品后，都會(huì)對(duì)智能眼鏡有一個(gè)粗略的認(rèn)識(shí)：一個(gè)微型顯示屏(圖示中為LCoS顯示屏)被裝載在附接到側(cè)面的電子裝置中，并且指向單個(gè)棱鏡，棱鏡將光90°折射進(jìn)佩戴者的右上方的視場角中——圖示中展示的是由HiMax生產(chǎn)的組合光學(xué)元件，可以容納LCoS顯示器和棱鏡光學(xué)器件。

現(xiàn)在想象一下，有兩個(gè)這種90°的棱鏡并排擺放著。這種配置可以將圖像轉(zhuǎn)動(dòng)180°。 同時(shí)，兩個(gè)90°棱鏡也可以在相同方向上回轉(zhuǎn)。 在波導(dǎo)中，顯示器的這種轉(zhuǎn)動(dòng)是一個(gè)很重要的原理。

波導(dǎo)基礎(chǔ)知識(shí)

波導(dǎo)技術(shù)并不是一種全新的科技。波導(dǎo)顯示屏使用了和能夠?qū)崿F(xiàn)單向光波沿光纖電纜流動(dòng)的相同的技術(shù)。當(dāng)你從側(cè)面看光纖電纜時(shí)，是看不到的光的，只能在光纖的末端看到一個(gè)發(fā)光點(diǎn)。波導(dǎo)鏡片使用了與單向光波相同的特性來引導(dǎo)光波在鏡片或者平面中流動(dòng)。

一些最基礎(chǔ)的波導(dǎo)技術(shù)首先由以色列公司Lumus進(jìn)行商用化。Lumus最近成為了AR眼鏡企業(yè)Daqri和Atheer的OEM供貨商。

谷歌和索尼也都有類似的波導(dǎo)設(shè)計(jì)的IP。還有一些聯(lián)合研究項(xiàng)目，如HiMax和Optivent、HiMax和Lumus、HiMax和Essilor之間都有類似的合作。法國的Essilor是世界上最大的鏡片生產(chǎn)商，最近和意大利的Luxottica，世界上最大的鏡框公司合并了。

表面浮雕波導(dǎo)（Surface relief waveguides）

在一個(gè)更為復(fù)雜的波導(dǎo)設(shè)計(jì)中，想象一塊棱鏡能夠被壓縮到非常小的體積，并且長度增加了。現(xiàn)在將一些紋路鐫刻在鏡片的表面。這些微型的紋路就是“表面浮雕”波導(dǎo)。圖像被切割成一系列的垂直條紋，由鏡片另一端的相應(yīng)的紋路重新組裝，呈現(xiàn)在眼前。

這種表面浮雕波導(dǎo)最先是由諾基亞取得專利并且商用的。

微軟HoloLens使用的波導(dǎo)就是諾基亞的設(shè)計(jì)，但進(jìn)行了一些改動(dòng)——微型顯示屏被置于了眼鏡之上。

諾基亞的這個(gè)專利非常重要，因?yàn)槠淠軌虮淮笠?guī)模生產(chǎn)。除了HoloLens之外，諾基亞還將這種設(shè)計(jì)授權(quán)給了Vuzix，這間公司由英特爾投資，并且和聯(lián)想一起在中國企業(yè)級(jí)市場中銷售波導(dǎo)產(chǎn)品。

芬蘭的Dispelix不僅僅生產(chǎn)表面浮雕波導(dǎo)，還對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行了非常大的改進(jìn)。除了在鏡片表面鐫刻紋路之外，Dispelix還能夠?qū)⒓y路直接打印在鏡片上。

Magic Leap

對(duì)于這家神秘的公司，我們可以從公司申請(qǐng)的各種專利、做出的投資來更深入了解Magic Leap。

公司的創(chuàng)始人Rony Abovitz此前成功將生產(chǎn)手術(shù)用機(jī)械臂的MAKO Surgical做上市。MAKO在IPO之后被醫(yī)療設(shè)備巨頭Stryker收購，金額高達(dá)16億美元。鑒于這些成功的創(chuàng)業(yè)經(jīng)歷，Abovitz獲得了投資人的信賴。再加上Magic Leap釋放出的幾段神奇的demo，公司得以獲得巨額的投資。

Magic Leap試驗(yàn)過多款光學(xué)設(shè)計(jì)方案，試圖找出能夠被大規(guī)模生產(chǎn)的光場顯示屏解決方案。光場技術(shù)可以制造景深效果，使得焦點(diǎn)內(nèi)的物體清晰呈現(xiàn)、焦點(diǎn)外的物體變得模糊。對(duì)于Magic Leap所追求的娛樂應(yīng)用領(lǐng)域來說，光場可以讓虛擬的內(nèi)容在渲染后更加真實(shí)。

在去年4月，Abovitz登上了《Wired》雜志的封面，手持由公司研發(fā)出的“光子晶片(photonic chip)”。所謂的晶片，指的是制造顯示屏過程中用到了類似芯片生產(chǎn)的生產(chǎn)方式。

公司在2013-2014年間提交了許多稀奇古怪的光學(xué)設(shè)計(jì)專利，這些設(shè)計(jì)理論上都行得通，但是現(xiàn)實(shí)中卻要受限于現(xiàn)有的生產(chǎn)條件。公司提出，可以將用于制造CPU的生產(chǎn)手段用在制造光學(xué)顯示屏上。就算大家對(duì)Magic Leap的這一理論能否成功不再懷疑，公司仍然面臨著兩大障礙：首先是生產(chǎn)成本。眼鏡鏡片的大小在制造成本上要比小小的CPU高得多，而且一副眼鏡還有兩塊鏡片。這表示，就算Magic Leap的技術(shù)成功了，制造鏡片的成本將會(huì)高達(dá)每副眼鏡上萬美元。，同時(shí)也不會(huì)像英特爾那樣做到CPU的大規(guī)模生產(chǎn)。

其次，公司申請(qǐng)的專利中提到，這些鏡片的厚度在1-1.5厘米左右。公司瞄準(zhǔn)的是消費(fèi)者市場——就算公司真的能做出產(chǎn)品，并且不計(jì)成本，也幾乎沒有任何的顯示屏?xí)谙M(fèi)者市場中銷售厚達(dá)一厘米的產(chǎn)品。細(xì)節(jié)決定成敗。

現(xiàn)在看來，Magic Leap再一次回到了設(shè)計(jì)之初的境地。公司的專利也包括一些表面浮雕波導(dǎo)。這又回到了先前提到過的由Dispelix發(fā)明的浮雕打印技術(shù)。

去年Magic Leap悄然收購了一件名為Molecular Imprints的公司，其獨(dú)家技術(shù)就是能夠進(jìn)行微型紋路打印，和Dispelix的鏡片并沒有太大不同。

這種顯示屏的迭代很有可能會(huì)讓Magic Leap能夠自主生產(chǎn)輕薄的光場顯示屏，同時(shí)生產(chǎn)價(jià)格不會(huì)太高。然而在Dispelix已經(jīng)成功打印出表面浮雕波導(dǎo)、Avegant已經(jīng)展示了自己研發(fā)的光場顯示屏的情況下，Magic Leap的神奇之處已經(jīng)所剩無幾。

全息波導(dǎo)（Holographic Waveguides）

這一名詞很容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。“全息波導(dǎo)”中使用的“全息”不是指佩戴者在其前方看到的圖像，而是指透鏡內(nèi)部的光學(xué)元件本身就是由納米級(jí)全息圖制成。

回想一下你在信用卡上見過的全息圖——出現(xiàn)在反光薄膜上的銀聯(lián)或者萬事達(dá)的全息防偽標(biāo)志(信用卡全息圖背后的反射表面是背光源，全息圖本身在前面)。

全息波導(dǎo)采用了相似的方法——在激光的照射下，像鏡子一樣的、薄膜光聚合物制成的微型納米級(jí)全息光學(xué)元件被嵌入到鏡片上，代替了傳統(tǒng)波導(dǎo)中的棱鏡。和之前一樣，一個(gè)微型顯示屏被投影在鏡片的一端，全息光學(xué)元件折射光線，引導(dǎo)單向光波穿過表面，同時(shí)鏡片另一端的光學(xué)元件將光線折射進(jìn)眼睛。這種了不起的工程是在棱鏡波導(dǎo)中一小部分的厚度的基礎(chǔ)上完成的。

位于美國加州的光學(xué)技術(shù)公司DigiLens在十年之前就已經(jīng)完善了這一技術(shù)，為美國軍方打造出了航空電子抬頭顯示屏。

全息波導(dǎo)光學(xué)元件領(lǐng)域在近來也有不少新的企業(yè)進(jìn)入：位于英國的TrueLife Optics和WaveOptics;來自美國科羅拉多州的Akonia Holographics。Akonia此前花費(fèi)了十年時(shí)間和超過1億美金來研究全息存儲(chǔ)技術(shù)，但是并未成功。這三家公司看起來都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下成功做到了全息波導(dǎo)，設(shè)計(jì)上和DigiLens在2010年生產(chǎn)出的產(chǎn)品很相似。

所有以上提到過的波導(dǎo)設(shè)計(jì)仍然是“被動(dòng)”的鏡片。這里的被動(dòng)指的是鏡片本身并沒有電子組件，僅僅是被動(dòng)的接受微型顯示屏投射來的光線，再被動(dòng)的讓光線穿越鏡片，投射在用戶的眼睛里。

主動(dòng)型全息波導(dǎo)（Active Holographic Waveguides）

DigiLens目前已經(jīng)研發(fā)出了“主動(dòng)”的全息波導(dǎo)。

DigiLens波導(dǎo)中的全息光學(xué)元件采用了基于液晶的薄膜聚合物，這些光學(xué)元件在電流的刺激下能夠改變狀態(tài)。

從軍用顯示屏起家，DigiLens不僅在航空電子領(lǐng)域有所建樹，也和航空電子供應(yīng)商Rockwell Collins合作，為巴西航空工業(yè)公司Embraer的飛機(jī)打造了儀表盤式波導(dǎo)顯示器。DigiLens的首個(gè)消費(fèi)者產(chǎn)品，一款為寶馬智能頭盔打造的顯示屏，即將在今年內(nèi)發(fā)貨。

不僅如此，上文所提到的波導(dǎo)都只能應(yīng)用在一個(gè)光滑的表面上。今年早些時(shí)候，DigiLens宣布自己的主動(dòng)型全息波導(dǎo)將可以應(yīng)用在曲面鏡片上，意味著它們的波導(dǎo)也可以用于常規(guī)的近視和遠(yuǎn)視眼鏡上。公司在年初獲得了來自索尼和富士康的2200萬美元投資。

在最近和DigiLens創(chuàng)始人、主席、CEO/CTO Jonathan Waldern博士的訪談中，他透露公司正在研究將層壓板應(yīng)用在鏡片的內(nèi)部，技術(shù)上和波導(dǎo)顯示屏很相似，但是用一個(gè)攝像頭替代了微型顯示屏，這樣一來就可以在同樣厚度的鏡片上做到眼球追蹤。

這種技術(shù)一旦成功，就會(huì)成為光場技術(shù)中新的傳奇。就算Magic Leap使用多層波導(dǎo)來做到光場，DigiLens也已經(jīng)在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中采用了多層波導(dǎo)——在紅色光譜中分離出自己的波導(dǎo)，這一分層位于藍(lán)綠色波導(dǎo)的頂部。此外，DigiLens還使用了層疊波導(dǎo)來擴(kuò)展視場角(FOV)。公司沒有使用分層波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)光場的原因在于客戶對(duì)這種技術(shù)沒有需求——因此公司更加擅長情景導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理，而不是娛樂領(lǐng)域。

DigiLens是一只沉睡中的獨(dú)角獸。消費(fèi)者端可接受的的智能眼鏡的形態(tài)始于近眼光學(xué)也終止于近眼光學(xué)，而DigiLens在這一領(lǐng)域中也許領(lǐng)先其他波導(dǎo)OEM廠商不止七年。當(dāng)然，DigiLens也在為美國軍方進(jìn)行一些機(jī)密工作，但這并不妨礙我們知曉美國軍方正在使用DigiLens的顯示屏來打造鋼鐵俠那樣的抬頭顯示屏。