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

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。

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。