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什么是光子光场芯片 光子光场芯片作用与应用场景

图87:Magic Leap根据人眼对深度的敏感度划分12个深度层级

Magic Leap根据人眼对深度的敏感度划分12个深度层级

数据来源:VR之家(左)、Magic Leap专利底稿(右),广发证券发展研究中心

拥有光纤扫描显示技术不足以呈现立体的影像,还需要借助Magic Leap提出的 光子光场芯片对图像进行分层显示,也即不同的组件在一个基础平面上投射出不同 焦距的图像,每一帧画面由多层组合而成,每一个焦平面都是单独的。在光子光场芯片内,12层平面波导对应12个焦平面,使得深度显示具有12个等级。这是Magic Leap通过总结人眼对深度的敏感特性而选择的等级。通常人们对0.25m~3m之间的 深度变化较为敏感,而0.25m以内形成视觉的盲区,超过3m的深度变化从视觉效果 上区别不大。在敏感区间之内,由近到远人对深度的感知能力不断衰减,而12个深 度等级已经能够较为准确的打造显示立体感。

由于每个波导只能完成特定深度的显示,且其适用条件对于不同波长的光亦有 区别,Magic Leap将12层波导叠加形成一个更大的透镜组件,形成能够适用于各种 波长和不同焦点的显示元件。每个波导可以通过与MEMS系统类似的方式实现开关 控制,进而调整进入双眼的光路,使得图像的焦点处于对应的深度之上。例如,当 第一个波导工作时,可以看到视觉距离在1m左右的图像;当第二个波导工作,其产 生的物体深度处于1.4m。

每个波导由多层波导管组成,可以理解为在12个深度层级内的细粒度划分。当 光锥打入光子光场芯片内,耦合管将光锥送入波导管。由于光纤扫描技术通过时分 复用打出在不同焦平面的成像点,波导内的耦合管也需要进行快速的光路切换,将 对应不同深度的成像点送入相应焦距的波导管中。在波导管内通过一系列光的反射、 折射,将光束变化为球面波,而依据成像原理人在脑中所得的影像是空间中的立体 虚像,其过程与人在真实世界的观察过程别无二致。

光子光场芯片

具体到每个波导的实现方式,归根结底是从平面光束到球面波的转换过程。 Magic Leap提出了两种可能的方案。第一种方案是由很多个类凸面镜组成的反射系 统,入射的平行光先后经过反射镜与波导下平面的两次反射,打入各个半反半透的 凸面镜表面。各个凸面镜处于非平行的放置状态,使得光线具有不同的入射角,反 射之后形成发散光。人眼在波导的下方观察到这样的光线反馈在脑中是光线逆向延 长的交点,这就形成了一个深度等级的焦平面。通过正交调制将光纤的出射光与真 实世界的光线解耦,使得眼镜片外面的“现实世界”并不受波导内的光路影响,而只对 光纤出射光起作用,实现了把激光扫描投影打出的虚像叠加在空间中。

另一种波导的实现方式是基于衍射光栅。光线入射后在波导上下表面多次反射,通过衍射光栅时会发生反射、折射(图中未画出)以及直射三种效应。只有反射光 线可以从波导中射出而直射、折射光线仍被限制于波导内。基于类似菲涅耳波带片 的衍射光栅出射光会聚于一点,而其逆向延长线的交点即构成了一个深度显示级别。 Magic Leap在专利中给出了遮挡外界光线的方案,通过分别使用一个外侧波导与内 测波导,采用“主动降噪”的方案实现对外界光的抵消,进而减弱背景光中的干扰因素。

在Magic Leap给出的显示方案中,光纤扫描投影技术与光子光场芯片通过精确 的机械控制工作在同一频率,光场芯片及时切换波导改变光通路以实现将对应的像 素点显示在不同的焦平面上,这对同步技术与机械控制的精准度要求极高。此外, 传统的显示技术只需要计算四维光场中的二维切片,而该技术中整个四维光场都需 要实时计算并渲染,这造成了庞大的数据量和计算复杂度,对设备的处理器及电池 性能提出了严苛要求。另一方面,光纤扫描仪中精确的调控机械部件,使得每条纤 维都稳定的受控振动并和数据传输进行同步,这也是一项异常艰巨的任务。而光场 芯片的生产制造工艺也对镜片生产相关企业提出了新的技术要求。但不可否认Magic Leap实现了近年来难得一见的技术革命,它的想法设计巧妙且精密,展现了人类高 超的智慧与无穷的想象力。

基于类凸面镜的波导实现方案

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