什么是光子光場芯片 光子光場芯片作用與應用場景

圖87:Magic Leap根據人眼對深度的敏感度劃分12個深度層級

數據來源:VR之家(左)、Magic Leap專利底稿(右)，廣發證券發展研究中心

擁有光纖掃描顯示技術不足以呈現立體的影像，還需要借助Magic Leap提出的 光子光場芯片對圖像進行分層顯示，也即不同的組件在一個基礎平面上投射出不同 焦距的圖像，每一幀畫面由多層組合而成，每一個焦平面都是單獨的。在光子光場芯片內，12層平面波導對應12個焦平面，使得深度顯示具有12個等級。這是Magic Leap通過總結人眼對深度的敏感特性而選擇的等級。通常人們對0.25m~3m之間的 深度變化較為敏感，而0.25m以內形成視覺的盲區，超過3m的深度變化從視覺效果 上區別不大。在敏感區間之內，由近到遠人對深度的感知能力不斷衰減，而12個深 度等級已經能夠較為準確的打造顯示立體感。

由于每個波導只能完成特定深度的顯示，且其適用條件對于不同波長的光亦有 區別，Magic Leap將12層波導疊加形成一個更大的透鏡組件，形成能夠適用于各種 波長和不同焦點的顯示元件。每個波導可以通過與MEMS系統類似的方式實現開關 控制，進而調整進入雙眼的光路，使得圖像的焦點處于對應的深度之上。例如，當 第一個波導工作時，可以看到視覺距離在1m左右的圖像;當第二個波導工作，其產 生的物體深度處于1.4m。

每個波導由多層波導管組成，可以理解為在12個深度層級內的細粒度劃分。當 光錐打入光子光場芯片內，耦合管將光錐送入波導管。由于光纖掃描技術通過時分 復用打出在不同焦平面的成像點，波導內的耦合管也需要進行快速的光路切換，將 對應不同深度的成像點送入相應焦距的波導管中。在波導管內通過一系列光的反射、 折射，將光束變化為球面波，而依據成像原理人在腦中所得的影像是空間中的立體 虛像，其過程與人在真實世界的觀察過程別無二致。

具體到每個波導的實現方式，歸根結底是從平面光束到球面波的轉換過程。 Magic Leap提出了兩種可能的方案。第一種方案是由很多個類凸面鏡組成的反射系 統，入射的平行光先后經過反射鏡與波導下平面的兩次反射，打入各個半反半透的 凸面鏡表面。各個凸面鏡處于非平行的放置狀態，使得光線具有不同的入射角，反 射之后形成發散光。人眼在波導的下方觀察到這樣的光線反饋在腦中是光線逆向延 長的交點，這就形成了一個深度等級的焦平面。通過正交調制將光纖的出射光與真 實世界的光線解耦，使得眼鏡片外面的“現實世界”并不受波導內的光路影響，而只對 光纖出射光起作用，實現了把激光掃描投影打出的虛像疊加在空間中。

另一種波導的實現方式是基于衍射光柵。光線入射后在波導上下表面多次反射，通過衍射光柵時會發生反射、折射(圖中未畫出)以及直射三種效應。只有反射光 線可以從波導中射出而直射、折射光線仍被限制于波導內。基于類似菲涅耳波帶片 的衍射光柵出射光會聚于一點，而其逆向延長線的交點即構成了一個深度顯示級別。 Magic Leap在專利中給出了遮擋外界光線的方案，通過分別使用一個外側波導與內 測波導，采用“主動降噪”的方案實現對外界光的抵消，進而減弱背景光中的干擾因素。

在Magic Leap給出的顯示方案中，光纖掃描投影技術與光子光場芯片通過精確 的機械控制工作在同一頻率，光場芯片及時切換波導改變光通路以實現將對應的像 素點顯示在不同的焦平面上，這對同步技術與機械控制的精準度要求極高。此外， 傳統的顯示技術只需要計算四維光場中的二維切片，而該技術中整個四維光場都需 要實時計算并渲染，這造成了龐大的數據量和計算復雜度，對設備的處理器及電池 性能提出了嚴苛要求。另一方面，光纖掃描儀中精確的調控機械部件，使得每條纖 維都穩定的受控振動并和數據傳輸進行同步，這也是一項異常艱巨的任務。而光場 芯片的生產制造工藝也對鏡片生產相關企業提出了新的技術要求。但不可否認Magic Leap實現了近年來難得一見的技術革命，它的想法設計巧妙且精密，展現了人類高 超的智慧與無窮的想象力。