В этой статье мы проведём обзор технологий оптики для непосредственного размещения рядом с глазами — в очках дополненной/смешанной реальности, а также рассмотрим эволюцию волноводов. Наша цель — предоставить понимание рынка, который обычно находится за границами внимания обывателя, но оказывает огромное влияние на нишу смарт-очков и шлемов.
Основы оптики, размещаемой рядом с глазами
Большинство людей, знакомых со смарт-очками, имеет базовое представление о дисплее Google Glass. Он довольно прост: микродисплей (в данном случае, LCoS) размещается в электронике сбоку и направлен на единственную призму, которая поворачивает свет на 90° в верхний правый угол поля зрения пользователя — в данном случае, в комбинированный оптический блок, в котором размещается и LCoS-дисплей, и призменная оптика от тайваньского OEM-производителя HiMax.
Теперь представьте две такие 90-градусные призмы, расположенные рядом друг с другом. В этой конфигурации можно поворачивать изображение на 180°. В качестве альтернативы, две призмы с углом 90° также могут смещать дисплей в сторону, отправляя свет в прежнем направлении. Показанная здесь в самом простом виде, такая схема является важным принципом волновода.
Основы волновода
Волноводная технология сама по себе не нова. Волноводные дисплеи производятся с использованием той же технологии, которая позволяет направлять пучок света по оптоволоконному кабелю. Когда вы смотрите на волоконно-оптический кабель сбоку, вы не видите проходящий по нему свет, только точку света в конце. Волноводные линзы используют это же свойство однонаправленной световой волны, чтобы направлять волну света через линзу или плоскость (планарный волновод) от одного конца системы к другому.
Некоторые базовые схемы волноводов были впервые коммерциализированы компанией Lumus, рождённой из израильских военно-промышленных исследований. В последнее время Lumus стала OEM-поставщиком для таких фирм, как Daqri и Atheer.
У Google и Sony есть интеллектуальная собственность в области конструкций волноводов, похожих по своей природе на разработки Lumus. Ряд совместных исследований в области волноводов был выполнен альянсами HiMax и Optivent, HiMax и Lumus, Lumus и Essilor. Essilor является крупнейшим производителем линз в мире и недавно объединился с компанией Luxottica из Италии, крупнейшим в мире разработчиком оправ.
Волноводы с рельефной поверхностью
Что касается более сложной конструкции волновода, представьте себе, что призма очень сильно уменьшилась и вытянулась. Теперь эти призматические детали надо разместить на поверхности линзы — это «поверхностный рельеф» волновода. Изображение делится на несколько вертикальных полос и собрано воедино на другом конце линзы перед глазом.
Волновод с рельефной поверхностью был запатентован и впервые коммерциализирован компанией Nokia.
Волноводы, используемые Microsoft в HoloLens, созданы на базе дизайна Nokia и повёрнуты вертикально — так, что микродисплеи находятся прямо над глазами.
Разработка Nokia примечательна тем, что доказала пригодность к массовому масштабируемому производству. В дополнение к HoloLens, Nokia лицензировала этот дизайн для Vuzix, которая производит свои волноводы на заводе, проинвестированном Intel, и продаёт их под совместным с Lenovo брендом на китайском корпоративном рынке.
Компания Dispelix не только выпустила поверхностно-рельефный волновод, но и внесла значительный вклад в производственный процесс. В дополнение к гравируемому волноводу, схожему с разработкой Nokia и создаваемому методом субстрактивного производства, Dispelix показала, что микрогребни можно производить аддитивно, печатью на линзе.
Magic Leap
Эти ребята не торопятся раскрывать секреты широкой публике, но мы можем много узнать из их патентных заявок и приобретений. Главное: они начали свой путь без чёткого понимания того, как технически реализовать задуманное.
Основатель Magic Leap Рони Эбовиц раньше занимался роботизированной хирургической платформой MAKO Surgical. После IPO MAKO была продана за $1,65 миллиарда компании Stryker, крупному американскому производителю медицинского оборудования с капитализацией порядка $50 миллиардов. Эбовиц использовал свой авторитет «отца единорога» и сыграл на доверии инвестиционного сообщества. Это вкупе с (предположительно) впечатляющей лабораторной демонстрацией в контролируемой среде позволило ему собрать ошеломляющую сумму на развитие стартапа.
Magic Leap экспериментировала с различными оптическими конструкциями, чтобы найти приемлемый дисплей светового поля, который можно тиражировать в больших количествах. Световое поле создаёт эффект глубины резкости, позволяя объектам в фокусе казаться чёткими, без размытия. Это более реалистичный рендеринг виртуального контента, который пригодится развлекательным приложениям.
В апреле прошлого года Эбовиц оказался на обложке Wired: директор молодого «единорога» рассказал о некоем «фотонном чипе», где слово «чип» является отсылкой к методу производства одного из теоретических дисплеев.
Патенты, поданные в 2013-2014 годах, описывают различные экзотические оптические конструкции, функциональные на бумаге, но с характеристиками, выходящими за пределы существующих методов производства. Теория заключалась в том, что возможными такие дисплеи сделало бы применение методов, используемых в производстве процессоров. Даже если отбросить весь скепсис относительно успеха Magic Leap в этом предприятии, они столкнулись с несколькими препятствиями, и вот первое: линза для одного глаза в несколько раз больше любого современного центрального процессора, а одна оправа требует две такие линзы.
Потенциально это значит, что стоимость одной оптической пары для одного экземпляра очков составит несколько тысяч долларов, и даже экономия при расширении производства не смогла бы довести итоговую цену устройства до приемлемого уровня.
Во-вторых, спецификации из патентных заявок предполагают толщину линз от одного до полутора сантиметров. Устройство Magic Leap ориентировано на потребительский рынок, поэтому даже преодоление всех издержек при разработке и производстве и доведение цены до нормального значения не поможет продать очки с сантиметровыми линзами. Дьявол в деталях.
Впрочем, учёные ML вернулись к расчётам и предложили вариации на тему волновода с рельефной поверхностью, уложенного слоями. Это возвращает нас к методу печати от Dispelix. В прошлом году Magic Leap приобрела компанию Molecular Imprints, патентованная технология которой позволяет печатать микрогребни, не похожие на линзы Dispelix.
Это могло бы дать Magic Leap тонкий волновод для дисплея светового поля по доступной цене, но Dispelix уже производит печатный поверхностно-рельефный волновод и вместе с Avegant недавно показала дисплей светового поля на его основе (с использованием более старой технологии светоделителя). Это решение потеряло необходимую ML новизну и отправилось к конкурентам.
Голографические волноводы
Это название легко истолковать неверно. Голограммы здесь относятся не к изображению, которое видит пользователь, а к оптике, которая изготовлена с применением наноголографии.
Вспомните голограмму, которая есть на вашей банковской карте: она вставлена в тонкую плёнку, которая клеится на отражающую подложку, чтобы подсвечивать голограмму. Для голографических волноводов используется аналогичный метод. Тонкоплёночный фотополимер подвергается воздействию лазерного света для интеграции в него нанометровой голографической зеркальной оптики, встроенной в линзу. Она заменяет призмы из более традиционных волноводов.
Как и раньше, микродисплей отправляет картинку на другой конец линзы, а голографическая оптика поворачивает свет, проводя однонаправленную световую волну через свою поверхность, а последний набор линз поворачивает поток в глаз пользователя. Этот замечательный технический результат достигается в пределах доли толщины, используемой в волноводах на основе призмы.
Компания DigiLens усовершенствовала эту методику почти десять лет назад, создав авионическую HUD-систему для военных США (в сотрудничестве с Rockwell Collins). Её конструкция до сих пор засекречена.
В области голографической волноводной оптики появилось несколько новых компаний: успехи делают британские TruLife Optics и WaveOptics, а также Akonia Holographics из Колорадо. Последняя потратила больше десяти лет и $100 000 в неудачной погоне за разработкой голографической системы хранения данных. Похоже, эти три компании провели лабораторные демонстрации того, что DigiLens производила в 2010 году. Но с тех пор она ушла вперёд.
Все упомянутые конструкции волноводов являются «пассивными» линзами. Пассивность состоит в том, что сами линзы не имеют электронных компонентов — они просто получают свет, проецируемый микродисплеем, пассивно перемещают его сквозь линзу и поворачивают, чтобы проецировать в глаз пользователя.
Активные голографические волноводы
У DigiLens есть «активные» голографические волноводы. Используя тонкоплёночный полимер на основе жидких кристаллов, голографическая зеркальная оптика внутри волноводов DigiLens способна изменять состояние при активации электрическим током.
Начав с военных дисплеев, DigiLens осталась в авионике и перешла к созданию дисплеев с волноводами, смонтированных на приборных панелях, которые используются в самолётах Embraer, опять же в сотрудничестве с Rockwell Collins. Их первый потребительский продукт — дисплей для смарт-шлема BMW — появится в этом году.
Кроме того, волноводы, упомянутые в разделах выше, ограничены плоской, прямой поверхностью. В начале этого года DigiLens также объявила, что улучшила применение своих активных голографических волноводов на поверхности изогнутых линз, и теперь их можно применять в очках, максимально схожих с обычными. Недавно компания закрыла раунд в $22 миллиона, возглавляемый Sony и Foxconn. Эти деньги помогут ей вывести технологию на потребительский уровень.
Похожая технология используется компанией Vuzix в смарт-очках AR3000, анонсированных ещё в 2016 году. Проще говоря, их линзы тоже изогнутые и очень похожи на обычные.
DigiLens также рассказала, что работает над ламинацией внутренней поверхности дисплея, но уже для камеры, которая сможет через столь же миниатюрную оптику следить за взглядом пользователя.
Если Magic Leap с помощью многослойного волновода пока стремится реализовать пресловутое световое поле, DigiLens уже использует технологию, отделяя красный спектр в собственный волновод, который накрывает сине-зелёный волновод. Кроме того DigiLens использовала перекрывающиеся волноводы для расширения поля обзора. Если она ещё не используют многослойные волноводы для светового поля, это объясняется тем, что этого никогда не требовали её клиенты: компания до сих пор специализировалась на контекстных навигационных данных, а не на развлечениях. Если клиент запросит световое поле, можно с уверенностью предположить, что DigiLens создаст его на заказ с использованием существующей технологии.
DigiLens — спящий единорог. Успех смарт-очков в приемлемом для потребителя форм-факторе начинается и заканчивается оптикой у глаз пользователя, и DigiLens может по крайней мере на семь лет опередить любого другого OEM-производителя волноводов. Хотя работа компании для военных США может оставаться секретной, её результатом всё равно станет некий фактический продукт.
Не пропускайте важнейшие новости о дополненной, смешанной и виртуальной реальности — подписывайтесь на Голографику в ВК, Twitter и Facebook!
Далее: Из чего состоит Microsoft HoloLens и как всё это работает
По материалам Upload VR
