显示专家Guttag CES分享：Meta Materials的突破性调光技术
Meta Materials的突破性调光技术
（映维网Nweon 2023年01月17日）随着CES 2023大会的结束，近眼显示技术专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）正式开启了自己的CES博文系列。第一篇是关于Meta Materials的突破性调光技术。下面是具体的整理：
需要注意的是，请区分Meta Materials和马克·扎克伯格治下的Meta Platforms。Meta Materials成立于2007年，是一家高性能功能材料和智能表面开发商。团队主要是通过应用物理学和先进设计来研发全新的多功能材料：超材料。
简介：在CES 2023看了20多家公司
今年的CES有很多会议和有趣的展位。一切都与之前很不同，没有南厅，多了一个新的西厅。与疫情前相比，今年CES只有大约60%的人和展位，但我反而更忙了。不过，由于今年的场地分布得很广，而且人群稍微少了一点，拉斯维加斯的交通比过去几年要方便些。
我在CES发现了很多可以写的好技术，另外我有了很多照片和视频可以完成对Meta Quest Pro的系列介绍。我想在1月底的SPIE AR/VR/MR大会之前完成所有内容，但这是一个挑战，因为本博客倾向于深度分析，而不仅仅只是给出我的印象感觉。我不打算对大多数其他产品进行详细介绍，但我认为有必要解释非偏振调光的重要性。
Meta Materials的电致变色调光技术：CES大会最重要的新型AR/MR技术
我决定从Meta Materials的电致变色调光器开始我的CES 2023报道。在不久的将来，它将极大地影响AR/MR头显和众多其他应用。
Meta Materials成立于2007年，主要研发超材料，即操纵从无线电到可见光到红外的电磁波的微观结构。在AR/VR领域，哈佛对超材料/超透镜的研究令更多人认识到了超材料的应用潜力。
当Facebook改名为Meta，并全面押注Metaverse元宇宙时时，Meta这个词汇就有了完全不同的含义。恰好Meta Materials正在开发可以在元宇宙中使用的设备和技术。Facebook改名为Meta引起了大家对“Meta”一词的大量的关注和对现有Meta Materials的混淆。
尽管我在AWE 2022大会参观了Meta Materials展台，但直到CES 2023大会我才明白他们能够带来什么。在AWE 2022，我对他们的定制透镜技术ARFusion非常感兴趣，而它有可能成为Luxexcel（最近被Meta Platforms收购）的竞争对手。我在AWE视频中与林奇讨论了ARFusion技术相对于Luxexcel的优势。在即将发表的一篇博文中，我将详细介绍我在CES大会遇到的另一家公司AddOptics。他们拥有定制透镜制作技术，而且比Luxexcel的3D打印技术更具优势。
本文将重点介绍Meta Materials的电致变色（电控）调光技术。它将PPG的电致变色凝胶与Meta Materials的ARFusion透镜和超材料相结合，从而控制和增强响应。值得一提的是，对于PPG的电致变色凝胶，其最著名的应用是波音787电动调光窗。另外，Meta Platforms于2022年5月与PPG达成了合作协议。
Meta Materials成为了CES大会社交媒体热议对象的第一位或第二位
在更深入地探究电致变色调光之前，根据BuzzRadar的统计，Meta Materials成为了CES 2023大会的社交媒体热议对象，在2200多家参展商中中排名第一或第二。对于一家在2023年CES之前很少有人听说过的公司来说，这令人感到非常印象深刻。
我认为Meta Materials最受关注的产品是透明微波炉门。这种透明微波炉门使用了一种可以反射微波，但同时可以通过可见光波的超材料结构。
同样的基本技术可以在窗户中用作EMI屏蔽，以防止电子窃听。使用不同的超材料薄膜，窗户可以将无线电波引入建筑物。Meta Materials同时展示了在眼镜镜片中放置透明天线。
超材料的另一个用途是室外摄像头、汽车前照灯、汽车尾灯和刹车灯的透明加热器。本质上，通过对超材料进行编程，它们可以将其调谐到电磁频谱的不同波长。Meta Materials声称，与当前的细导线和基于ITO的电极阵列相比，他们“可调谐”的导电超材料具有对比优势。
为什么非偏振调光需要重点讲解呢
控制眼镜调光的两种常见方法是光致变色（光控制）和电致变色（电控制）。
光致变色，最著名的是光致变色镜片供应商Transitions，这项技术通常由于透镜上的UV光而变暗，并且无法以其他方式控制。它们可以配制成不同的量和颜色进行过渡，但过渡会固定在材料中。过渡时间通常很慢，变暗需要大约30秒到1分钟，变为最透射状态需要2到3分钟。
今天常见的电致变色调光器使用液晶来控制偏振光。它们的工作方式就像带有“快门”的LCD。重要的是，快速切换的液晶操纵偏振光，而要使其工作，光必须首先偏振，这会阻挡50%以上的入射光。因此，最透明的基于偏振的电致变色调光器可以小于50%。
电子调光器的控制可以来自环境光传感器或基于处理摄像头信息的AR/MR。
偏振LC调光器在AR/MR中的最新和最著名的应用是Magic Leap 2的分段调光，Magic Leap 2最透明的状态阻挡了78%的真实世界光线。使用LC意味着它们首先阻挡了60%以上的真实世界光线，而剩下的光学器件（包括波导）阻挡了不到18%的真实世界光。
尽管使用LCD面板进行调光的想法已经存在几十年的时间，但据我所知，在Magic Leap之前没有一家AR/MR公司制造过带有调光层的产品。在Magic Leap 2之前，没有人认为阻挡超过60%的入射光+光学器件阻挡的光是可以接受的。
对于Meta Material的调光器，一个重要问题是它在透明状态下可以透射更多的光。高透明度和缺少偏振是电子调光在AR/MR中变得实用的关键。
能够用于LCD显示器和手机
除了透明度优势之外，非偏振调光器的另一个主要优势是它不会扭曲显示器的亮度和颜色，例如输出偏振光的LCD和汽车挡风玻璃HUD。
高透明度非偏振调光
上图显示了Meta Materials电致变色调光器原型的暗状态（左），以及更令人印象深刻的透明状态（右）。目前的原型在透明状态下阻挡约15%的光，但Meta Materials表示，它只阻挡2%至4%的光，而一旦完全开发，透明状态下的轻微蓝色变黄色将减少/消除。
下面这个简短的视频显示了从亮到暗，再回到亮的过程。从亮到暗的过渡大约需要9秒，从暗到亮大约需要20秒。
当前的过渡时间比LCD快门慢得多，但对于AR眼镜的典型户外用例来说可以接受。要使用Magic Leap 2的分段调光，过渡需要更快，否则缓慢变化/移动的调光会留下“痕迹”。至少，在任一方向的切换速度（80/10点）需要小于1/30秒，并且优选地在1/120秒的量级上，与显示器的速度相同。Meta Materials表示，他们知道加快过渡时间的方法，但他们不确定能有多快。
极低功率
Meta Materials调光器仅运行1V即可驱动至黑色，透明状态为0V。唯一流动的电流是在切换静态充电装置时，所以它只需要很少的功率。
为什么AR/MR需要非偏振调光
使真实世界变暗的能力在室内和室外都非常有用，而对于一般室外用途来说几乎是必不可少。
户外使用
在室内光线充足的房间里，一张白纸通常在30到100尼特之间，典型的显示器输出100到250尼特。但在阳光下的室外，绿草约为2500尼特，白色混凝土约为6000至10000尼特，甚至黑色沥青都可达到2200尼特。
从阳光充足到阴凉区域，户外的动态范围非常大。如果头显阻挡了太多的光线，在室内和阴凉区域就会出现问题。所需要的是能够在几秒内快速响应阴影和阳光。
要轻松阅读文本，人类需要大约2:1的对比度，而大约8:1的对比度才可以令颜色看起来合理饱和。即使是2000-4000尼特的头显，阳光照射的混凝土或绿草都看不见。
汽车HUD可以达到15000或以上尼特。但在头显中，提供和管理15000尼特以上的电源十分困难和昂贵。另外，将这种光线注入眼睛会非常难受。
对于户外白天用例，显示器依然需要2500尼特
我想指出的是，即使采用了理想的调光技术，向眼睛提供的光线少于1000尼特的近眼显示器都不适合户外使用。现实世界中的动态亮度范围非常光，以至于要使低于1000尼特的图像可读，调光器几乎会令现实世界完全变黑，这将打破透视AR/MR头显的概念。人们希望至少3000尼特加上户外使用的调光能力。
未知因素
Meta Materials表示，其超材料增强了PPG光电化学品的性能，但我不知道其机理。我同时担心潜在的衍射效应。Meta Materials指出，与光栅不同，它的超材料具有可以减少衍射效应的随机性，而且可以对其进行调整以减少衍射效应。在所有未知因素中，我最关心的是潜在的衍射效应。
Meta Materials目前展示了大约15%（85%）的透明阻挡，但我们必须继续等待，再看看它们是否能够达到2%-4%（98%-96%）的透明，并且看看色彩影响。
希望电致变色化学和超材料的某种组合将显著提高开关速度，使其适用于动态（软边缘遮挡）调光。Magic Leap已经证明，软边缘遮挡可能非常有用。
我不知道其他公司是否同样有非偏振调光技术。但我这么多年来都没有发现过。
其他用途
尽管AR/MR头显需要非偏振调光技术，但这项技术存在其他更大的市场。如果衍射效果较低，则最明显的是普通眼镜。
非偏振调光器作为需要大动态范围的LED显示器的次级调制器将非常有用。以汽车HUD为例，白天使用时需要支持15000尼特以上，但夜间输出应小于1尼特。这个15000+到1的范围在任何给定的整体亮度下都位于图像的动态范围之上。但当你试图输出15000多尼特时，你不会想阻挡太多的光线，所以你需要一个在最透明状态下高度透明的光调制器。
摄影和视频中同样具有很大的需求，在需要尽可能透明的同时可变地调暗入射光。相机的ISO设置只能如此之低，而停止光圈会影响焦点深度，并导致衍射使图像变柔和。
另外，在住宅和汽车应用中可以利用窗户阻挡光线，将其作为遮阳帘的替代方案，并减少阳光加热。
结论
一种可以高度透明的非偏振电致变色技术已经成为AR/MR的关键缺失技术，而这一技术通常没有被大家广泛讨论。我之所以将其列为我在CES 2023发现的技术之首，是因为它的重要性，因为它很快就会出现在商用产品之中。
免责声明：我在CES之后购买了Meta Material的股票
对应于发现Meta Materials电致变色调光器的兴奋程度，我在CES 2023回来后马上购买Meta Material的股票。另外，如果由于某种原因，我希望透明微波门技术会大受欢迎?。
警告：不是建议你跟我一样购买Meta Materials的股票，我购买它们的股票只是作为我认为其技术重要的标志。我尚没有对Meta Materials进行深入分析。我很少购买我报道分析的公司的股票，并且从未做空过股票。
