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意法半導體、Oqmented和Dispelix
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映維網 2021年12月02日
）近眼顯示技術專家、AR硬體/軟體企業Rave首席科學家卡爾·古塔格（Karl Guttag）早前在AWE 2021大會體驗了一系列展商的裝置，並開始撰文介紹自己的見聞。
上一篇文章是關於Tilt-5的產品，而本文則涉及意法半導體、Oqmented和Dispelix，因為它們都涉及鐳射束掃描（Laser Beam Scanning；LBS）顯示器。
需要注意的是，儘管古塔格具備豐富的專業知識和從業經驗，但社群對他的觀點存在爭議。下面是映維網的具體整理：
對於我上一篇博文，我在LinkedIn看到了出奇積極的評價。我分析技術是評估產品有沒有達到預期目的，而不是以絕對尺度進行衡量。根據我看到的其他文章和播客，Tilt-5擁有一系列令我和其他許多人都覺得不可思議的地方。正如我在博文中指出的那樣，Tilt-5對於通用AR而言不是最好，但在團隊所針對的用例中非常優秀。
（劇透）如果你認為我在評價技術時總是吹毛求疵，這篇博文正是如此。具體來說，Oqmented的Lissajous鐳射掃描在我看來是一種糟糕的影象生成方法，但可能有利於三維空間識別（鐳射雷達和其他方法）。
1. LaSAR鐳射掃描聯盟
由意法半導體成立的LaSAR鐳射掃描聯盟似乎是一個鬆散的聯盟，由致力於將鐳射掃描應用於增強現實眼鏡的企業組成。LaSAR目前的成員包括意法半導體（mems鏡）、應用材料（波導製造）和歐司朗（鐳射）這三家大公司；以及Dispelix（波導設計）和Mega1（鐳射掃描光學）這兩家小公司。
根據我在行業浸淫44年的經驗，我沒有看到過太多鬆散聯盟能夠成功的案例，而少數的成功往往是為了制定標準而選擇同盟的競爭對手。我應該進一步指出，Oqmented是鐳射掃描裝置的製造商，並在後面加入了LaSAR（至少在AWE 2021時尚未加入）。他們與意法半導體簽訂了製造和營銷協議。
我之所以首先“找茬”Oqmented，是因為它們最為有趣，不同於大多數LBS顯示器。展位的工作人員對我非常友好，所以我不是因為遭遇了不好的對待而故意黑人。但我不相信Oqmented的技術會有助於製造AR顯示器。
2. Lissajous鐳射掃描
迄今為止，大多數LBS顯示器都採用了類似光柵掃描的方法。其中，水平掃描通常是以千赫茲為單位的更快正弦掃描（典型是5kHz到54kHz，取決於解析度），而垂直掃描則是更慢的線性掃描。對於這一點，我曾在2012年討論過Microvision流程和HoloLens 2的眾多問題。
Oqmented使用Lissajous掃描過程，其中水平和垂直掃描方向相同。Lissajous圖案是透過兩個正弦波驅動示波器的X和Y或雙向反射鏡的光。
Lissajous的優點是，垂直掃描可以比典型的光柵型LBS快一個數量級（千赫茲）。
3. Lissajous是產生顯示影象的可怕方式
Oqmented嘗試以相位關係增加水平和垂直掃描頻率，從而覆蓋整個影象。下面是Oqmented的前投影儀在1/500th和1/60th時拍攝的照片。
這是一種生成高解析度顯示影象的可怕方法。如你所見，即使在1/60th的位置，你依然可以看到Lissajous的偽影。更糟糕的是，當實時感知時，由於它們的掃視運動，你的眼睛將能留意到每個掃描的閃光。
使用Lissajous圖案建立偽隨機掃描顯示的問題是：你是用它來嘗試建立統一的影象。想象一下，你正在用一把小小的刷子塗刷一整個房間，而且你會在不同方向隨意來一刷。影象的某些部分會出現多次掃描，所以更亮；而其他部分則很少掃描，所以更暗。任何數量的補償/糾正都無法解決問題。
除了均勻性的基本問題外，反射鏡的掃描速度不足以填滿所有的“洞”。反射鏡的掃描頻率是由反射鏡的物理設計共振設定。為了提高反射鏡的速度，它們必須要小得多，但對於鐳射束直徑來說，它又太小，而且極難製造。
下面是另一張在1/60th拍攝的場景照片。你可以看到角落非常模糊（我忘了問為什麼）。投影儀由隱藏在投影儀下方的硬體驅動（右）。
前投影儀的驅動板能夠提供多種顏色。值得注意的是，前投影儀驅動板中的驅動板具有廣泛的色調，而AR眼鏡演示中的驅動板似乎支援更少的色調。
將正常影象轉換為Lissajous掃描的過程非常複雜。首先，原始直線影象必須對映到不斷變化的Lissajous掃描。掃描以基於兩個不同正弦波函式的可變速度移動，而速度變化必須透過驅動控制進行補償。所有這些重新縮放和補償都會降低解析度和顏色保真度。我懷疑這就是為什麼演示只支援低解析度圖形和少量的色調。
4. 採用Dispelix波導的Oqmented AR眼鏡
右圖是封裝Dispelix波導的Oqmented AR眼鏡，包括俯檢視和兩側的檢視，以及基於真實世界光線的檢視。
你可能會注意到眼鏡右側太陽穴中的投影儀相當大，但這尚不是一個嚴重的問題。這只是一個原型，Oqmented有一個減少投影儀體積的方案。我關心的是更基本的影象質量問題。如果影象質量低於智慧手錶，那麼將其縮小又有什麼意義呢？
下面這個演示影象採用相同的眼鏡並基於虛擬影象。你可以看到，它的解析度很低，而且顏色很少。另外，顏色沒有得到很好的控制。色變問題可能主要是由Dispelix衍射波導引起，而顏色控制問題的部分原因可能來自於由鐳射器的控制問題。
快門速度只有1/30th，但你依然可以從Lissajous掃描中的交叉線圖案。仔細觀察圖片，你可以看到影象的點狀紋理。工作人員沒有給出這個點狀圖案的合理解釋，只是表示它可能與波導相關。
下面兩張是在1/60th的位置拍攝，另一張則在1/30th。與之前一樣，它缺少顏色深度，並且會出現交叉陰影。
5. Dispelix的展位
AWE 2021大會的另一款LBS原型來自於Dispelix。儘管Oqmented採用了Dispelix的波導，但Dispelix自家的演示卻搭載了意法半導體的LBS引擎和更傳統的光柵型掃描器。Dispelix的演示在解析度方面要比Oqmented好，而且影象中沒有對角線。儘管這樣，影象質量和解析度依然低於一般的智慧手錶。
下面是透過裝置看到的畫面。這款眼鏡比Oqmented原型機更為流線型。
以下是意法半導體在SPIE AR/VR/MR 2021大會展示的影片截圖。我認為這是一種非常不自然的情況，不會有太多消費者願意接受。
6. 光瞳複製
Oqmented和Dispelix的原型都使用Dispelix波導進行光瞳複製，以生成一個大視窗，類似於HoloLens 2。這不同於谷歌的North Focus、英特爾的Vaunt和Bosch的鐳射AR眼鏡，後三者是將從眼鏡全息鏡反彈後的鐳射直接掃描到眼睛。
你需要一定的光學元件來將鐳射掃描耦合到波導中，所以顯示引擎光比直接鐳射掃描設計更大。波導設計同時不再是“麥克斯韋”，除非在波導兩側新增其他光學元件，否則它們將聚焦在無限遠。
直接鐳射掃描存在嚴重的實際問題，最明顯的問題是一個視窗小，幾乎是使用者瞳孔大小。如果使用者眼睛或眼鏡移動的距離小於瞳孔大小，則眼睛會看不到影象。接近零的視窗意味著眼鏡必須精確對齊，例如North Focus需要為每名使用者進行定製。但即使是這樣，你都很難看到影象。Eyeway Vision計劃使用第二反射鏡來將掃描引導到眼睛，但這是一個非常複雜的設計問題。
7. 顯示引擎大小
Oqmented和Dispelix眼鏡的顯示引擎比Hololens 2小得多。但是，它們的解析度要低得多，而且視場要小得多。另外，它們是單目原型，只有顯示器和光學元件，而電源/電池、處理和影象生成都是透過線纜傳輸。
8. 波導投機
考慮到Snap收購了WaveOptics，以衍射波導而聞名的Dispelix是非常有趣。2018年，蘋果收購了全息波導製造商Akonia。Hololens1和2的波導源自於微軟從諾基亞購買的技術。Vuzix最初獲得了諾基亞技術授權，但現在他們聲稱已經擁有衍射波導技術。
在技術和效能方面，Dispelix似乎與WaveOptics非常相似。除Dispelix和Digilens外，當前大多數衍射波導產品都是使用獲取的設計。另一家獨立波導公司Lumus則採用反射而非衍射波導技術。它們的影象質量更好，效率和亮度也更高。
它尚不是是一個近乎壟斷的市場，因為部分中國公司現在正在生產衍射波導，甚至還有廠商“克隆”了Lumus的反射型波導。
9. LiDAR和其他3D感測
儘管我認為Oqmented的Lissajous掃描是產生顯示影象的可怕方式，但它可以更好得支援各種形式的3D感測。掃描鐳射最明顯的用途是LiDAR達。Oqmented和意法半導體都非常清楚鐳射掃描可以用於三維感測。意法半導體在LaSAR展位提供了一個鐳射雷達演示。
10. Microvision的光柵式LBS鐳射雷達
Microvision將他們的光柵式LBS技術重新定位以用於鐳射雷達。與用於鐳射雷達的Lissajous掃描相比，專為顯示應用開發的類光柵過程存在缺點。下圖來自於Microvision專利申請2019/0331774和2018年的一次簡報。
11. Oqmented和採用Lissajous掃描的3D感測
儘管掃描的偽隨機性在生成供人類檢視的影象時是一種負擔，但對於鐳射雷達和類似於3D掃描現實世界的方法來說，它是一種資產。某家矽谷3D感測公司向我解釋了Lissajous掃描在3D空間識別方面的優點（應其要求，名稱保密）。
只需掃描幾次，Lissajous掃描就可以從整個區域快速獲取至少幾個資料點。它可以在極短的時間內以低解析度覆蓋整個掃描區域。更快地檢測移動物件是一個主要優勢。它同時可以幫助解決困擾類光柵過程的“時間混疊”。
另一個顯著的優勢是，Lissajous掃描的偽隨機性不會對可能“隱藏”在類光柵掃描的掃描線之間的精細直線物件視而不見。
12. 結論
低解析度、低影象質量的AR有什麼意義呢？我知道有人可能會認為我對這種鐳射掃描顯示器的看法非常苛刻。不過，儘管一些公司可能相當年輕，但它們背後的技術是25年和數十億美元發展的結果。在這個時代，它們的影象看起來非常糟糕，而且沒有理由相信它們在今後幾年的研發中能夠實現顯著的改善。
要從非常粗糙的原型轉變為接近於產品形狀，他們還有很多工作要做。我欣賞他們能夠減少引擎和驅動板的大小，但我們正在討論的是低得可憐的解析度。
移動反射鏡以控制鐳射束存在一定的基本物理問題，而許多人對此認識不足。他們的投入不亞於微軟為HoloLens 2花費了數億美元和多年的時間來完善Microvision的鐳射掃描，但最終只是得到了一張糟糕的、相對低解析度的影象。
當顯示解析度和整體影象質量遠低於智慧手錶時，LBS顯示器又有何市場呢？它們不支援大多數光線條件，並且如果你存在視力問題，你將需要昂貴的定製。它只適用於需要少量資訊，並且不想低頭檢視裝置的人群。
我同時理解“全天候可穿戴”的觀點，並且寫過關於視場迷戀的文章。但是，沒有人會願意購買解析度和影象質量比智慧手錶解析度糟糕，而且價格更加昂貴的全天候可穿戴眼鏡。我希望看到這群公司能夠將精力集中在從長遠來看可能更具生產力的領域。你可以把這篇文章看成是“嚴父的愛”。