显示专家Guttag CES分享:Meta Materials的突破性调光技术

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Meta Quest Pro调光功能的分析

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。

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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。

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