如何用光電子技術(shù)制造出小巧且高效的RGB激光器推動(dòng)AR眼鏡的發(fā)展？

你試過(guò)用App在家里虛擬擺放家具來(lái)看效果嗎？用過(guò)可以改變自己形象的App嗎？玩過(guò)曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的游戲《Pokemon Go》嗎？這些都是增強現實(shí)（AR）在生活中的例子。

AR系統能夠巧妙地將計算機生成的內容疊加到現實(shí)世界中。盡管谷歌眼鏡在市場(chǎng)上的表現未達預期，但目前，AR系統的開(kāi)發(fā)進(jìn)展穩步推進(jìn)，市場(chǎng)需求也持續增長(cháng)。理想的AR眼鏡應具備豐富的功能，同時(shí)兼顧輕便和舒適，能適合全天候佩戴，不過(guò)這樣的AR眼鏡目前尚未上市。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)既能提供高分辨率圖像又具有低能耗的解決方案并非易事。隨著(zhù)開(kāi)發(fā)者不斷探索未來(lái)的無(wú)限可能，他們逐漸認識到，光電子集成電路（PIC）可能是實(shí)現這一目標的關(guān)鍵。

通過(guò)利用光的優(yōu)勢，光電子集成電路（PIC）可以實(shí)現快速、低功耗且高容量的數據傳輸。此外，PIC支持微型化激光束掃描技術(shù)，為更高性能、更舒適的AR眼鏡提供了新的可能性。

位于荷蘭的BrillianceRGB公司深刻理解PIC在A(yíng)R應用中的重要價(jià)值，目前正在開(kāi)發(fā)適用于A(yíng)R和虛擬現實(shí)（VR）眼鏡中的激光投影光電子芯片。本文將詳細介紹這家公司如何應用新思科技的光電子技術(shù)，制造出小巧且高效的RGB激光器，以推動(dòng)AR眼鏡的發(fā)展。

AR如何朝著(zhù)沉浸式互聯(lián)網(wǎng)的方向演變

AR技術(shù)并不是新概念，其歷史可以追溯到1968年，當時(shí)哈佛大學(xué)的計算機科學(xué)家Ivan Sutherland發(fā)明了首個(gè)AR頭戴顯示系統。商業(yè)化方面，2008年德國開(kāi)發(fā)出了首款AR應用，主要用于廣告。如今，AR技術(shù)的潛力已經(jīng)日益顯現。游戲行業(yè)和元宇宙對AR系統的需求極大，同時(shí)，為了提升工作效率，AR技術(shù)也在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。例如，在新冠疫情期間，由于出行限制，ASML開(kāi)發(fā)了一款AR解決方案，使技術(shù)支持人員可以“進(jìn)入”客戶(hù)的潔凈室，協(xié)助檢修光刻機并確保其正常運行。在醫療領(lǐng)域，醫生利用AR技術(shù)進(jìn)行培訓、手術(shù)準備及獲取患者生命體征數據。

未來(lái)學(xué)家Bernard Marr在《福布斯》雜志的一篇文章中預測，今年AR和VR等技術(shù)將帶來(lái)更具協(xié)作性與互動(dòng)性的在線(xiàn)體驗，進(jìn)一步推動(dòng)“沉浸式互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展。為了使AR眼鏡等AR系統成為主流，并為沉浸式互聯(lián)網(wǎng)提供更強大的支持，開(kāi)發(fā)者面臨著(zhù)諸多挑戰。其中一個(gè)難題是如何制造適合所有人在各種環(huán)境下使用的AR眼鏡，例如讓佩戴處方眼鏡的用戶(hù)在陽(yáng)光明媚的天氣中也能舒適使用。但在實(shí)現這一目標之前，開(kāi)發(fā)者首先需要制作出外觀(guān)和觸感與日常眼鏡相似的AR眼鏡。到目前為止，現有產(chǎn)品僅實(shí)現了一些小幅改進(jìn)，目前尚未取得重大突破。

增強現實(shí)眼鏡的工作原理

AR利用光學(xué)器件搭建仿真環(huán)境，然后疊加到真實(shí)環(huán)境中，以增強使用體驗。AR眼鏡的工作原理與車(chē)載抬頭顯示器類(lèi)似，即通過(guò)佩戴者眼前的眼鏡來(lái)投影仿真內容。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，眼睛是接收器，而微顯示器或激光器是光源，透鏡是光學(xué)元件。微顯示器光源可能來(lái)自有機發(fā)光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。光學(xué)元件將來(lái)自微顯示器或激光器的光與來(lái)自現實(shí)世界的光相結合，然后將來(lái)自微顯示器或激光器的增強信息投射到現實(shí)世界中。

現有的設計使用導光條將光源創(chuàng )建的圖像傳送到眼睛，開(kāi)發(fā)者需使用多種工具來(lái)仿真所要達到的效果。在光學(xué)工作流程中，光柵耦合器需借助RSoft DiffractMOD嚴格耦合波分析法（RCWA）和FullWAVE時(shí)域有限差分法（FDTD）軟件，將顯示器圖像注入導光條中或從導光條中提取出來(lái)。理想情況下，導光條應整合到傳統的眼鏡框架里。開(kāi)發(fā)者可通過(guò)LightTools照明設計軟件將光柵添加到模型中，然后仿真輻射度性能，以確保佩戴者能夠看到清晰的圖像，緩解因雜散光造成的對比度下降問(wèn)題。隨工作流程持續推進(jìn)，各種組件逐漸得到完善并相互結合，不斷簡(jiǎn)化設計迭代的過(guò)程。

光電子集成電路幫助大幅減小RGB激光模塊的尺寸

PIC能夠低延遲地快速傳輸數據，因而在超大規模數據中心等應用中備受青睞。PIC可幫助AR眼鏡以更高效的方式處理光線(xiàn)，從而促進(jìn)研發(fā)更輕便、更節能的眼鏡設備，提供更加清晰生動(dòng)、流暢自然的全息圖像。通過(guò)使用PIC，BrillianceRGB開(kāi)發(fā)出了尺寸更小、效率更高的紅綠藍三色（RGB）光源。該光源的尺寸為4×7mm2（并正朝4×4.5mm2方向發(fā)展），輸出功率高達100mW，可幫助客戶(hù)克服AR投影應用在微型化、集成度、能效和總體舒適度方面的挑戰。

為了盡量縮小RGB激光模塊的尺寸，BrillianceRGB采用了基于氮化硅的PIC。另外，借助光電子技術(shù)和半導體開(kāi)發(fā)方法，BrillianceRGB還開(kāi)發(fā)出了一種可擴展性超強的制造和封裝工藝。其激光芯片采用“倒裝芯片”技術(shù)，緊貼其他先進(jìn)組件放置。目前，BrillianceRGB正致力于將現有的概念驗證轉化為針對特定客戶(hù)的定制化原型，并力求與客戶(hù)的眼鏡框架實(shí)現無(wú)縫集成，以便順利進(jìn)行批量生產(chǎn)。

BrillianceRGB的激光芯片設計采用了新思科技的OptoDesigner工具，該工具深受BrillianceRGB許多資深開(kāi)發(fā)者的青睞，他們從大學(xué)時(shí)期就開(kāi)始使用這款解決方案，對其非常熟悉。

OptoDesigner的算法模塊能夠幫助開(kāi)發(fā)者設計和優(yōu)化光電子元件、波導以及整個(gè)芯片。在光子集成電路（PIC）中，波導的作用是限制并引導光能的流動(dòng)，如果設計得當，還可以高效地組合和傳輸紅綠藍三色光。得益于OptoDesigner解決方案中內置的光電子感知算法，BrillianceRGB的波導布線(xiàn)一次成功，極大地節省了時(shí)間和人力資源。

現在，OptoDesigner已與新思科技的OptoCompiler完全集成，后者是一個(gè)一站式的電子和光電子設計環(huán)境，支持PIC的仿真、布局和驗證。OptoCompiler還能為AR應用設計和優(yōu)化超表面。

AR必將很快成為主流

在未來(lái)幾年內，AR眼鏡有望進(jìn)入主流市場(chǎng)，這一過(guò)程必將令人矚目。屆時(shí)，我們可能會(huì )看到有人在地鐵通勤時(shí)，通過(guò)虛擬屏幕來(lái)處理工作。同時(shí)，光電子技術(shù)將繼續展現其價(jià)值，為全球帶來(lái)更多創(chuàng )新的AR系統應用。

審核編輯：劉清