AR 技術路線之爭,一拖二方案為什么最有潛力
隨著巨頭的下場,資本的角逐和消費端的進一步正反饋,這兩年的AR賽道,在資本、技術和市場的共同催化下,得到快速嬗變,整個行業也差不多到了爆發的前夜。
誰搞出更輕薄更高清的AR眼鏡,誰就可能在這場盛宴里分得一杯羹。
而行業的核心瓶頸——光學顯示方案,它的路線之爭在今年也愈演愈烈。棱鏡、BirdBath、自由曲面等方案都曾被用到不同的產品實踐中。現在,圈內討論得最多是光波導方案,尤其是一拖二設計,被眾多專家視為通往消費級AR未來的最具潛力之路。
一拖二設計,其實就是采用一個光機,然后由特殊設計的光柵結構將光機輸入的光一分為二,最后實現雙目顯示。
這個理念最早由衍射波導架構的發明人和奠基人之一Tapani博士在2006年的一份衍射波導專利中提出,但更接近工程實現的一拖二方案,則是Tapani Levola 與其 CTO Alex Jiang 博士在2021年發明。
(資料圖)
當時,他們推出了名為 “Lhasa(拉薩)” 的一拖二波導架構,并被應用在李未可騎行眼鏡等產品中,由此開始引發AR圈的關注。
那么,一拖二方案有哪些優勢呢?
成本降低,讓AR硬件走向更高量級
在 AR 眼鏡的成本構成里,光學顯示系統占到40%左右,而光機則是較為昂貴的部件之一。傳統的方案通常采用兩個光機,等于左右眼各配備一套獨立光機系統(包括光源、調制芯片、驅動電路等),還要根據左右眼的不同(要模擬人眼自然觀察世界的方式:左眼和右眼看到的畫面存在約 6-6.5 厘米的基線差)呈現微視差的獨立圖像。雙光機方案,硬件成本一直居高不下,主要用于工業級、專業級 AR 設備。
(HoloLens 2 工業版)
一拖二方案僅使用一個光機,直接省去了一個光機,核心顯示單元數量幾乎減半,大幅降低了物料清單的成本。這不僅讓終端產品更具價格競爭力,更重要的意義在于,它為AR硬件走向更高量級,比如百萬級、千萬級出貨量掃清了最大的成本障礙,可以說是規模化普及的關鍵推手。
(資料圖,來自光舟官網)
功耗下降 ,續航能力將得到增加
我們知道,功耗會直接決定了AR眼鏡的續航體驗。一拖二方案,只需要一個單光機就能工作,其功耗理論上遠低于兩個光機同時運行。此外,光機本身的光能量被高效地分給雙眼,能量利用率也更高。
續航一直是輕便AR產品的痛點之一,尤其是那些追求 “全天候 AR” 體驗的用戶。一拖二方案通過減少光機數量,有效降低了功耗,大大提升了設備的續航能力。
解放鏡腿, 設計 更加 自由
傳統雙光機方案中,光機一般置在眼鏡兩邊的鏡腿,這樣很容易擠占了其他元器件的空間,比如攝像頭,一般的AR眼鏡也是把攝像頭放在這里,如果兩者都擠在鏡腿位置,則看起來非常的臃腫粗苯。一拖二方案允許將唯一的光機置于鏡框的中央(比如鼻托或橫梁處),徹底解放了兩側鏡腿的空間。
(資料圖)
這個那時候,設計師可以打造出更符合人體工學的平衡結構,或者將空間讓給其他元器件,甚至在未來實現與普通眼鏡無異的極致輕薄,極大地增加了工業設計的想象空間和解構自由度。同時,也讓AR眼鏡的形態更接近普通眼鏡了,整體減少了突兀感,提升了產品的美觀度與佩戴舒適度。
雙目融合 實現更加自然
傳統的雙光機方案采用獨立光機驅動左右眼波導,理論上是可以通過分別校準實現精準匹配。但實際上會面臨兩大挑戰:一是光機硬件差異(如 Micro-LED 芯片亮度偏差、LCoS 面板響應速度不一致)可能導致左右眼亮度差超過 8%、時延差大于 1ms;二是雙光機布局需協調鼻梁兩側空間,光路長度偏差易引發幾何畸變(如水平方向放大率差異>2%)。
這些問題,其實會加劇雙目融合的 “調節--輻輳沖突”,用戶在觀看近距離虛擬物體時(如1米內的虛擬鍵盤),睫狀肌與眼球轉動的協調誤差可能增加30%。
一拖二方案通過單光機分光設計從源頭減少變量:同一光機發出的光線經過對稱光柵分束后,左右眼圖像的時序同步誤差可控制在 0.1ms 以內,遠低于雙光機方案的 0.5ms 典型值;亮度均勻性偏差通常<5%,且避免了雙光機因溫度漂移(如工作 30 分鐘后光效差異擴大)導致的動態失衡。
這種 “同源性” 使雙目融合的校準復雜度降低 60%,尤其在顯示快速移動的虛擬內容時(如 AR 導航中的箭頭指示),重影出現概率可從雙光機方案的 15% 降至 5% 以下。
也就是說,從技術實現上看,單一光機產生同一源圖像,通過對稱的光路傳輸給雙眼,從根本上保證了左右眼圖像在亮度、色彩、色溫、時延上的高度一致性。這極大地簡化了后期圖像調試和雙目融合的算法工作,避免了雙光機因個體差異帶來的微小偏差。最終呈現給用戶的,是視覺負擔更小、融合更自然、沉浸感更強的穩定畫面,有效減輕了視覺疲勞。
基于這些優勢,近年來,業界開始注意并使用一拖二方案,比如奇點臨近QIDI Vida 騎行運動眼鏡,做到了69g;Rokid公司推出的智能眼鏡Rokid Glasses,只有49g)。其中,Rokid Glasses最為大家熟悉,它通過單光機驅動雙目顯示,搭配單綠色 Micro - LED + 衍射光波導方案。
(Rokid Glasses資料圖)
得益于“一拖二”的光學設計,Rokid Glasses在保證單綠色AR顯示的同時,進一步降低了硬件成本,而且更輕更舒適了,49克的整機重量與普通太陽鏡重量相當,各項性能也表現得更加優秀。
這款AR眼鏡去年11月發布,今年6月底上市,一推出就洛陽紙貴,上市才一個多月,Rokid的創始人、CEO祝銘明在采訪時表示,它的銷量已達30萬臺。
再回來談論“一拖二”方案,目前它的表現也不是百分百完美的,從體驗的角度,還是有不少BUG。
彩虹效應(Rainbow Effect): 業內又稱彩虹紋,由于采用衍射光波導技術,在特定條件下,光線經過光柵衍射后容易產生色散,從而在畫面中出現彩虹般的條紋,用戶可能會觀察到短暫的、類似彩虹的雜光。這一現象會干擾用戶的視覺體驗,尤其在顯示純色背景或高對比度畫面時更為明顯,影響了圖像的清晰度與純凈度。
(資料圖)
漏光問題(Light Leakage): ?我們知道,精密的分光系統要求非常高,如果在設計層面不夠精細,或者制造工藝層面稍有差錯,就可能導致光路串擾。有時候會出現本該進入右眼的光漏到了左眼,或者反過來,本該進入左眼的光光漏到了右眼。這樣既早就了能量損失,還會產生鬼影,降低圖像對比度,影響了用戶的體驗。
(資料圖)
3D顯示問題: 3D體驗并不是AR眼鏡的核心體驗,但如果能做到,肯定更好。一拖二方案經常被問怎么看3D的問題。我們知道,要想實現高質量的 3D 顯示,核心是解決左右眼圖像的視差與深度信息,以此來模擬人眼在真實世界中感知立體視覺的效果。然而,一拖二方案由于自身特殊的架構設計,在調節雙目合像會聚角時困難重重。
傳統的一拖二方案中,一般情況下是忽略掉3D顯示問題的,因為只有一個光機的情況下,很難做到左右眼顯示不同的畫面,因此無法實現3D顯示。在光舟的專利中,其實有提到用液晶快門來讓左右眼實現不同的畫面。這需要一套精妙的光學與信號控制協同機制,通過內部的圖像處理器輸入 3D 內容源,按照左右眼視角拆分成兩組獨立的畫面序列,然后將這些畫面序列在時間維度上嚴格交替排列,接著以高刷新率進行輸出。但這樣會犧牲一定的光效,并容易引發液晶的工作穩定性問題,實際看到的3D效果可能不會那么完美。
眼鏡中間向后突出問題: 這是一個結構性問題,我們知道,一拖二方案僅使用一個光機,且需要通過特殊的光學結構將光線分別導向左右眼的波導,光機及配套的光學元件往往需要集中布置在眼鏡的中間位置。從空間布局來看,單個光機本身具有一定的體積的,再加上用于光線分光、轉向的棱鏡、光柵等組件,這些部件疊加在一起,必然會占據眼鏡中間區域的不少空間。
(資料圖)
因此使用了一拖二方案的AR眼鏡,目前來看,結構上可能會讓眼鏡中間部位不得不向后凸起。這就造成一個問題,向后突出部分與鼻梁帖得太近,可能造成一定的灼熱感,另外,從用戶體驗的角度,該突出點會造成部分用戶的佩戴心理壓迫感,影響用戶的使用。
光柵耦入效率問題: 一拖二方案下,耦入區通常只能采用直光柵耦入方式,目前這種方式在結構設計上存在一定的局限性,容易導致其效率的上限相對較低。直光柵的光柵周期、占空比等參數設計,很難同時兼顧不同角度、不同波長光線的高效耦合。
當光線從光機射出,到達直光柵耦入區時,部分光線會因角度不匹配、波長不符合光柵衍射條件等原因,無法順利進入波導,而是發生反射或散射,造成光能量的損失。這個也是一拖二方案目前需要亟待解決的問題。
雙目合像問題: 左右眼視線在虛擬物體上的交匯角度,會直接影響用戶對虛擬物體距離感和立體感的感知。一拖二方案中,想要實現雙目合像會聚角的精準調控,目前業內還面臨著不小的挑戰。
光舟的Lhasa波導通過特殊的光柵設計,雖然實現了會聚角,但可能帶來調制傳遞函數(MTF)劣化的隱患,這樣會使得顯示圖像的細節丟失、邊緣模糊,嚴重影響 AR 顯示畫面的質量。目前來看,光舟的這種方案大概率也只能用在單色顯示上,在全彩顯示里可能很難實現。因此,未來的一拖二方案還需要在該問題上做好新迭代。
兩個鏡片之間的夾角問題: 前面提到,傳統的一拖二方案中,會要求從中央光機到兩側波導的光路盡可能對稱且短,因此在設計上會要求兩鏡片的夾角接近180度。這這與普通人臉的曲面結構是存在矛盾的。
(資料圖)
未來有沒有可能,在不犧牲光學性能的前提下,有沒有可能形成一定的弧度?讓光路更好地“擁抱”人臉曲面?讓體驗更加完美?
我個人是持很大信心的。從李未可騎行眼鏡的落地推出,到現在不過五年,一拖二方案似乎越來越被大家接受,而且得到了市場的快速驗證和正反饋,迭代得也非常快。現在看到的一些BUG,會得到修復完善。
今年的景況,大家在業內應該能感同身受。消費端的正反饋,加速了巨頭的入局, 互聯網 巨頭帶來了更大的市場普及率,光學巨頭則利用自身的光學能力,帶來更優解。兩者的支撐下,行業很快就進入一個良性的正循環,我們期待的AR時代,也越來越近了。
即將(9月10至12日)在深圳國際會展中心舉行的CIOE中國光博會,是光電產業的“風向標”。我注意到,對于這次盛會,大家今年尤其關注AR光學顯示方案領域的話題。
AR作為最有想象力的 科技 發展方向,經歷了過去大大小小無數次的行業起伏,如今來到了爆發前夜。它將往何處去,其實是由技術的發展和設計方案決定的。就像當年的 手機 行業,技術到位了,喬布斯臨門一腳,用“觸屏”把行業推到了所謂的Iphone 時刻。
如今的AR產業,也可能面臨這么一個關鍵節點。AR 行業要突破當前的發展瓶頸,在消費級市場取得新的可能,技術的迭代與更優的方案設計至關重要。一拖二方案以其在成本、功耗、設計和雙目融合等方面的顯著優勢,展現出了巨大的潛力。盡管目前還存在一些缺點,但隨著技術的不斷進步,尤其是光學巨頭的入局,有望逐步攻克這些難題。