【导读】本文中我们将介绍近眼光学（Near-eyeOptics），分析波导的演变，然后再具体到全息光波导。在整个介绍分析过程中，我们将研究光波导OEM（原始设备制造商）市场的参与者，最后将重点放到Sunnyvale的DigiLens上。

本文不是一篇学术论文，而是一篇易懂的概述。为读者提供对波导市场的基本了解，让读者感受到光学领域的进步是如何慢慢改变智能眼镜市场格局的。

近眼光学基础知识

大多数熟悉智能眼镜的人对GoogleGlass中使用的显示器都会有一个大致的了解，它的结构非常简单：眼镜侧面的电子设备上装有一个微型显示器（具体的是一款硅基液晶显示器），该微型显示器的出光指向一个90°的转向棱镜，借此可以将显示光束投射到眼镜佩戴者的右上方视野。在这种情况下，微型显示器和棱镜元件构成了一个光学单元，如下图所示，该光学组合单元由奇景光电（HiMax，来自台湾的一家光学部件OEM厂）供应。

现在，想象一下两个这样的90°转向棱镜并排放置，如下图所示。这样的棱镜设置可以将微型显示器所显示图像旋转180°，也可以转动其中一个实现显示图像在同样方向上的左右偏移。这里，我们以最简单的形式展示，当我们在光波导器件上考虑这一效果时，这种显示转向会是一个重要的原则。

光波导基础知识

光波导本身并不是一项新技术，基于光波导技术的显示器使用相同的技术制造，它允许单向的光波沿光纤传播。当您从侧面看光纤时，您无法看到光线，而只能看到最后传出的光点。光波导透镜同样使用单向光波的这种特性来引导光波从一端到另一端地通过透镜或平面（平面波导）。

LumusOptics（来自以色列的军事工业研究）最先商业化了一些最基本的光波导，它最近也成为Daqri和Atheer的OEM供应商。

谷歌和索尼都拥有与光波导设计类似的专利。奇景光电和Lumus以及法国的Optivent公司、Lumus和法国的Essilor公司联合完成了一系列光波导项目的研究。其中，Essilor是世界上最大的镜片制造商，最近正与全球最大的眼镜架公司意大利的Luxottica合并。

“表面浮雕”光波导（Surface Relief Waveguides）

对于更复杂的光波导设计，想象一下上面的棱镜缩小到非常小的尺寸，然后再被拉长。现在在镜头表面雕刻一系列这些的棱镜，这些微脊被称为“表面浮雕”光波导。使用这种光波导，微型显示器所显示的图像会被分割成一系列垂直的条纹，这些包含图像信息的条纹会由镜片另一端（位于眼睛前方）相应的一组微脊重新组装并投向眼睛。

这种“表面浮雕”光波导技术最早是诺基亚的专利，后来也由诺基亚商业化。微软的HoloLens中使用的光波导就使用了这种设计，不过微软对其作了修改，他们将外壳设计成直立状态，而微型显示器则设计在眼睛上方。

诺基亚的专利很值得注意，因为它已经被证明是可以规模化生产的。不仅如此，除了HoloLens之外，诺基亚还将此设计授权给了Vuzix，后者在一家由英特尔投资资助的工厂生产相应的光波导，并以和联想合作的品牌销售到中国企业市场。

其他公司也受到了这种“表面浮雕”设计的启发，芬兰的Dispelix公司不仅生产了“表面浮雕”光波导，而且还为制造工艺做出了重大贡献。Dispelix表示，除了类似于诺基亚（减法制造）的雕刻“表面浮雕”波导之外，还可以通过添加工艺（加法制造）形成微脊，比如通过“印刷”的方式将微脊做到镜头上。

Magic Leap

对于Magic Leap这样一个秘密的公司，我们可以从他们的专利申请和收购中获得一些信息，比如，他们之前推出产品时还没有确定其实现愿景的方法。

MagicLeap为了找到一种可以大规模生产光场显示器的方法，已经尝试了各种光学设计。光场可以产生景深效果，使处在焦点的对象看起来清晰，而非焦点位置的对象则会模糊。对于Magic Leap所追求的娱乐应用来说，光场技术可以更真实地呈现虚拟内容。

去年4月，Abovitz凭借Magic Leap“光子芯片”登上了Wired杂志的封面。该杂志引述的名称中使用到“芯片”一词，这也透露了他们用来制造这种理论性很强的显示器的制造方法。

MagicLeap于2013 - 2014年期间提交的专利探讨了各种奇特的光学设计，这些设计更多是一种“纸上谈兵”，其规格已经超出了现有的工艺制造能力。即使现在能够制造出Magic Leap在其一系列专利中提出的显示器，他们仍面临两大阻碍，第一是成本：眼镜镜片的面积比现代的CPU 大好几倍，而一套完整的智能显示眼镜更是需要一对镜片。这意味着，即使Magic Leap能够制造出这样的显示器，这种显示器所用的镜头制造成本（每对也会达到数千美元）也会让人望而却步，而且它们也缺乏像英特尔这样大量生产芯片的公司所享有的规模经济效应。其次，这些专利申请中所涉及的显示器用镜片厚度都在1到1.5厘米之间。Magic Leap瞄准的是消费者市场，所以即使他们可以制造出这样的产品（甚至即使忽视制造成本），这么厚的近眼显示产品也不能在消费市场拥有一席之地。

说到这里，Magic Leap似乎又回到了最初的绘图板阶段。他们的专利还包括了一些“表面浮雕”光波导的衍生方案，比如层叠式“表面浮雕”光波导。这又让我们想到前面Dispelix采用的印刷微脊技术。

去年，Magic Leap悄然收购了一家名为MolecularImprints的公司。与Dispelix相同，该公司的专利技术也能够实现微脊印刷。

这种基于印刷技术的层叠微脊可以很好地为MagicLeap提供一种能够以薄型结构产生光场显示的光波导，而且还能将制造成本降低到可承受的范围。但是Dispelix已经开始生产印刷式“表面浮雕”光波导，而且Avegant更是在最近展示了一款光场显示器（使用了传统的分束器技术），因此。Magic Leap的这种产品设计可能已经失去了很多新颖性。

全息波导

“全息波导”中的“全息”不是指佩戴者在它们前面看到的图像，而是指镜头内的光学器件，它们本身由纳米级全息图制成。

想想你在信用卡上看到的全息图。信用卡的反射背衬上黏贴了一张薄膜，这张薄膜上有通过曝光方式形成的全息图（信用卡全息图后面的反射背衬用于为全息图提供反射式光源）。

对于全息光波导来说，它的制造方法和上面的全息图类似 – 通过激光曝光在薄膜光聚合物内形成镜状光学器件的纳米级全息图，这里的薄膜光聚合物嵌在透镜内，可以取代棱镜在传统光波导中的作用。与之前一样，微型显示器投射到镜头的一端，全息光学系统转动光束方向，引导单向光束通过表面，另一组结构则进一步将这些光束转向眼睛。这种创造性的工程技术所实现的厚度只有原来棱镜式光波导方案的几分之一。

近十年前，DigiLens对这种技术进行了改进，并为美国军方（与罗克韦尔柯林斯公司合作）构建了航空HUD系统，这些系统目前仍然属于机密。

最近有几个基于全息光波导技术的产品：英国的TruLifeOptics和WaveOptics，以及科罗拉多州的Akonia Holographics。Akonia之前已经在这种技术上花了十年时间，并且在投资全息存储时还损失了1亿多美元。这三家公司现在似乎都已经在实验室条件下展示过类似于DigiLens 2010年的设计。

所有前面提到的光波导设计仍然属于“无源”透镜。被动的镜头本身没有电子元件，它们只是接收微型显示器投射的光，并被动地引导光线穿过镜头，转向后最终投射到用户的眼睛里。

有源全息波导

DigiLens设计出“主动式”全息光波导。

通过使用基于液晶的薄膜聚合物，DigiLens光波导内的全息镜状光学器件能够在用电流激活时改变状态。

从最早用于军用显示器开始，DigiLens一直扎根在航空电子领域。他们再次与罗克韦尔柯林斯公司合作，开始在巴西航空工业公司的喷气机上创建基于光波导技术的显示器，这种显示器安装在仪表板上。他们的第一款消费产品，即宝马智能头盔显示器，将于今年晚些时候发售。

此外，前面提到的光波导技术都被约束在平坦的平面上。今年早些时候，DigiLens还宣布他们已经完善了有源全息波导在曲面镜片表面的应用，这意味着他们可以将这些技术应用到普通的眼镜上。他们最近刚结束由索尼和富士康共同领导的一轮2200万美元的融资。

在最近对DigiLens创始人，董事长，首席执行官兼首席技术官Jonathan Waldern博士的采访中，他还透露公司正在研究使用和光波导显示器类似的技术，将层压板应用于镜头内部（这里取消的是相机而不是微显示器），以类似的薄形实现眼睛跟踪。

相对于DigiLens现有的产品设计，这种新的设计带来的新颖性可能就只剩下光场技术了。如果说Magic Leap正在通过使用多层光波导结构实现光场技术的话，DigiLens则已经在他们现有的设计中采用了这种多层光波导技术：将红色光谱分离并引导进入相应的光波导，这个相应地光波导在蓝绿色光波导的顶部。此外，DigiLens还采用光波导交叠方案来扩展视场。如果他们还没有使用这种分层光波导技术来实现光场显示，那是因为他们的客户还未提出这种需求 - 他们迄今为止一直专注的是文本导航数据，而不是娱乐。如果付费客户提出光场显示的需求，我们可以确定DigiLens一定会采用现有的分层光波导技术。

DigiLens是一只沉睡的独角兽，它在这个领域比其他任何光波导OEM先进至少七年。虽然DigiLens同美国军队方面的合作可能仍然属于机密，但要知道美国军方正在建造什么样的HUD都还不会违反安全规定，他们一直是使用DigiLens的显示器技术来制造这种HUD的。

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