意法半导体:激光束扫描LBS可以实现紧凑的AR系统

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映维网 2021年09月06日)当谷歌眼镜在大约十年前首次亮相时,AR可穿戴设备似乎出现了即将腾飞的迹象。智能眼镜可允许用户上网冲浪;访问地图、日历和其他应用;甚至可以调出菜谱。用户可以同时与物理世界和数字世界进行交互。

但谷歌在2015年初败退市场,而行业给出了智能眼镜消亡的几个原因,包括营销不善、设计乏味、软件故障太多、以及续航能力不足等等。

意法半导体的战略营销总监巴拉斯·拉贾戈帕兰(Bharath Rajagopalan)表示:“对于谷歌眼镜(取得成功)所需的技术,如照明源、小型投影仪和光学器件,以及一系列其他方面在当时都不够成熟,无法满足所有设计、性能和使用要求。有时候如果过早进入市场,你并没有一切必要的拼图。”

自谷歌眼镜陨落之后,各路公司一直尝试改进智能眼镜的设计、性能和功能,如Vuzix Blade和谷歌在2020年收购的North Focals。

同时,诸如Bose Frames和Amazon Echo Frames等仅具备音频功能的眼镜设备如雨后春笋般涌现,而Facebook早前同样宣布与Luxottica合作开发类似的智能眼镜。

一系列的主要厂商都表示,若要提高受欢迎程度,智能眼镜必须足够轻巧、低功耗和时尚,而一项关键的赋能技术是激光束扫描(Laser Beam Scanning;LBS)解决方案。

拉贾戈帕兰指出,LBS正越来越多地用于智能眼镜,因为它可以实现紧凑的投影仪,产生色彩丰富的明亮图像,同时耗电相对较少,并且可以相对美感地集成到一副眼镜之中。微型MEMS反射镜通过偏转紧凑型二极管发出的激光束来产生图像。例如,谷歌North的眼镜设备就是采用了LBS技术。

拉贾戈帕兰解释道,微型反射镜和激光器、投影仪和电池等组件都可以隐蔽地安装在一个足够小的模块中,以便后面整合至镜架。

为了推进这项技术,ST于今年3月份启动了IEEE激光扫描增强现实联盟(IEEE Laser Scanning for Augmented Reality Alliance)。拉贾戈帕兰是联盟的主席,其他成员包括应用材料Applied Materials、康宁、Dispelix、Inkron、Mega1和Osram。企业之间共享激光扫描技术的信息,并在组件、设备和技术的开发方面进行合作。

LaSAR是IEEE行业标准和技术组织(IEEE Industry Standards and Technology Organization;IEEE-ISTO)的最新项目。作为说明,这个组织致力为其客户提供法律和金融基础设施,并为标准开发和新兴技术的市场采用提供行政支持。

拉贾戈帕兰说,在IEEE-ISTO下组建LaSAR的另一个好处是,成员公司的众多代表都是IEEE成员。他指出:“与世界最大、最负盛名、最可靠的专业技术组织合作的LaSAR非常有吸引力。”

他补充说,能够接触众多技术和IEEE协会是一种优势,而彼此合作的潜力同样是一种优势。

1. 智能眼镜

拉贾戈帕兰介绍说,AR智能眼镜的外观、触感和性能应该与普通眼镜一样,并具有增强信息的额外好处。这意味着它们应该可以整天穿戴,拥有在阳光照射下会自动变暗的镜片,而且重量与一副传统眼镜差不多,亦即70克或更少。

他指出,智能眼镜可用于增强现实(AR)、混合现实(MR)、甚至扩展现实(XR)应用。

MR是增强现实的一个扩展,它能够将物理内容和数字内容结合在一起,使得物理和数字图像变得难以区分。微软HoloLens就是一个例子。

XR则融合了VR、AR和MR,可允许用户沉浸在虚拟环境中,并在理想情况下增强用户的周遭环境。

LaSAR正在考虑影响可用性和便利性的一系列因素。拉贾戈帕兰表示,这包括视窗、视场、分辨率范围、延迟和功耗。

在光学系统的设计中,视窗是一个重要的考虑因素。我们可以通过双筒望远镜进行说明。你可以调整双筒望远镜,使目镜与瞳孔之间的距离相适应。AR智能眼镜同样有类似的效果。为了应对瞳孔之间距离的差异并避免眩光图像,智能眼镜需要一个大于10毫米×10毫米的视窗,这可以支持大多数人。

视场是显示虚拟图像的范围。对于智能眼镜应用,30度到40度范围内的视场通常足够好。对于MR等更具沉浸感的应用,其需要更高的视场(通常大于80度)。智能眼镜可以接受较小的视场,因为只有与用户直接视场相关的信息才有用。另一方面,对于MR来说,在物理世界中放置照片级真实感虚拟对象,并拥有宽阔的视场,可以让用户移动头部并与虚拟对象进行交互。

他指出,与大多数工程挑战一样,产品设备需要一系列的权衡考虑。一个例子是视场与视窗:改善一个变量会显著削弱另一个变量。另外,视场、分辨率和功率之间同样存在权衡。但是,LBS提供了可扩展的解决方案,允许开发者根据应用选择优化设置。拉贾戈帕兰表示:“LBS的独特之处在于:它在尺寸、重量、功率、性能和图像保真度方面都符合要求。”

2. LBS可以实现紧凑的系统

作为概念证明,意法半导体为AR智能眼镜构建了激光扫描系统。投影仪由两个关键部件组成:光学引擎和电子模块。光学模块约为0.7立方厘米,包含微型反射镜、激光二极管、组合光学、光电二极管和热传感器。电子模块则包括MEMS反射镜驱动器、数字控制器(用于视频处理和投影系统的闭环控制)、激光二极管驱动器和其他电子设备。

原型耗电不到1瓦。尽管如此,拉贾戈帕兰表示意法半导体依然在改进技术,通过使用压电技术和驱动器,以及先进的激光二极管驱动器来开发下一代MEMS反射镜,并致力于将能耗减少50%以上。他指出,意法半导体已经证明了原型在工业和贸易活动中的适用性。原型能够用于构建参考设计,而AR智能眼镜和相关产品的制造商可以将其用于产品开发。

3. 欢迎新成员加入

拉贾戈帕兰表示,LaSAR联盟的形成在很大程度上是由对生态系统和供应链的需求所推动。联盟成员贡献了供应链的不同要素。例如,意法半导体公司生产MEMS微型反射镜、反射镜和激光二极管驱动器、以及它们的芯片组;欧司朗开发激光二极管;Dispelix设计波导;MegaOne构建投影仪……

联盟成员目前面临的挑战之一是测量图像质量的标准方法。拉贾戈帕兰指出:“因为AR智能眼镜仍然是一个新兴市场。没有任何标准方法来构建系统,甚至没有标准的语言。每个人都在做自己的事情,但我们正在努力解决这个问题。”

目前LaSAR联盟正在欢迎有志愿的企业机构加入。如果有兴趣,你可以填写这个表格以提交申请。

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