這篇文章介紹了近眼光學的相關知識，分析了波導技術的發展，同時聚焦于全息波導領域，和其中的佼佼者——DigiLens公司。

近眼光學（Near-eye Optics）的基礎知識

大多數人在接觸過如Google Glass等產品后，都會對智能眼鏡有一個粗略的認識：一個微型顯示屏(圖示中為LCoS顯示屏)被裝載在附接到側面的電子裝置中，并且指向單個棱鏡，棱鏡將光90°折射進佩戴者的右上方的視場角中——圖示中展示的是由HiMax生產的組合光學元件，可以容納LCoS顯示器和棱鏡光學器件。

現在想象一下，有兩個這種90°的棱鏡并排擺放著。這種配置可以將圖像轉動180°。 同時，兩個90°棱鏡也可以在相同方向上回轉。 在波導中，顯示器的這種轉動是一個很重要的原理。

波導基礎知識

波導技術并不是一種全新的科技。波導顯示屏使用了和能夠實現單向光波沿光纖電纜流動的相同的技術。當你從側面看光纖電纜時，是看不到的光的，只能在光纖的末端看到一個發光點。波導鏡片使用了與單向光波相同的特性來引導光波在鏡片或者平面中流動。

一些最基礎的波導技術首先由以色列公司Lumus進行商用化。Lumus最近成為了AR眼鏡企業Daqri和Atheer的OEM供貨商。

谷歌和索尼也都有類似的波導設計的IP。還有一些聯合研究項目，如HiMax和Optivent、HiMax和Lumus、HiMax和Essilor之間都有類似的合作。法國的Essilor是世界上最大的鏡片生產商，最近和意大利的Luxottica，世界上最大的鏡框公司合并了。

表面浮雕波導（Surface relief waveguides）

在一個更為復雜的波導設計中，想象一塊棱鏡能夠被壓縮到非常小的體積，并且長度增加了。現在將一些紋路鐫刻在鏡片的表面。這些微型的紋路就是“表面浮雕”波導。圖像被切割成一系列的垂直條紋，由鏡片另一端的相應的紋路重新組裝，呈現在眼前。

這種表面浮雕波導最先是由諾基亞取得專利并且商用的。

微軟HoloLens使用的波導就是諾基亞的設計，但進行了一些改動——微型顯示屏被置于了眼鏡之上。

諾基亞的這個專利非常重要，因為其能夠被大規模生產。除了HoloLens之外，諾基亞還將這種設計授權給了Vuzix，這間公司由英特爾投資，并且和聯想一起在中國企業級市場中銷售波導產品。

芬蘭的Dispelix不僅僅生產表面浮雕波導，還對生產過程進行了非常大的改進。除了在鏡片表面鐫刻紋路之外，Dispelix還能夠將紋路直接打印在鏡片上。

Magic Leap

對于這家神秘的公司，我們可以從公司申請的各種專利、做出的投資來更深入了解Magic Leap。

公司的創始人Rony Abovitz此前成功將生產手術用機械臂的MAKO Surgical做上市。MAKO在IPO之后被醫療設備巨頭Stryker收購，金額高達16億美元。鑒于這些成功的創業經歷，Abovitz獲得了投資人的信賴。再加上Magic Leap釋放出的幾段神奇的demo，公司得以獲得巨額的投資。

Magic Leap試驗過多款光學設計方案，試圖找出能夠被大規模生產的光場顯示屏解決方案。光場技術可以制造景深效果，使得焦點內的物體清晰呈現、焦點外的物體變得模糊。對于Magic Leap所追求的娛樂應用領域來說，光場可以讓虛擬的內容在渲染后更加真實。

在去年4月，Abovitz登上了《Wired》雜志的封面，手持由公司研發出的“光子晶片(photonic chip)”。所謂的晶片，指的是制造顯示屏過程中用到了類似芯片生產的生產方式。

公司在2013-2014年間提交了許多稀奇古怪的光學設計專利，這些設計理論上都行得通，但是現實中卻要受限于現有的生產條件。公司提出，可以將用于制造CPU的生產手段用在制造光學顯示屏上。就算大家對Magic Leap的這一理論能否成功不再懷疑，公司仍然面臨著兩大障礙：首先是生產成本。眼鏡鏡片的大小在制造成本上要比小小的CPU高得多，而且一副眼鏡還有兩塊鏡片。這表示，就算Magic Leap的技術成功了，制造鏡片的成本將會高達每副眼鏡上萬美元。，同時也不會像英特爾那樣做到CPU的大規模生產。

其次，公司申請的專利中提到，這些鏡片的厚度在1-1.5厘米左右。公司瞄準的是消費者市場——就算公司真的能做出產品，并且不計成本，也幾乎沒有任何的顯示屏會在消費者市場中銷售厚達一厘米的產品。細節決定成敗。

現在看來，Magic Leap再一次回到了設計之初的境地。公司的專利也包括一些表面浮雕波導。這又回到了先前提到過的由Dispelix發明的浮雕打印技術。

去年Magic Leap悄然收購了一件名為Molecular Imprints的公司，其獨家技術就是能夠進行微型紋路打印，和Dispelix的鏡片并沒有太大不同。

這種顯示屏的迭代很有可能會讓Magic Leap能夠自主生產輕薄的光場顯示屏，同時生產價格不會太高。然而在Dispelix已經成功打印出表面浮雕波導、Avegant已經展示了自己研發的光場顯示屏的情況下，Magic Leap的神奇之處已經所剩無幾。

全息波導（Holographic Waveguides）

這一名詞很容易產生誤導。“全息波導”中使用的“全息”不是指佩戴者在其前方看到的圖像，而是指透鏡內部的光學元件本身就是由納米級全息圖制成。

回想一下你在信用卡上見過的全息圖——出現在反光薄膜上的銀聯或者萬事達的全息防偽標志(信用卡全息圖背后的反射表面是背光源，全息圖本身在前面)。

全息波導采用了相似的方法——在激光的照射下，像鏡子一樣的、薄膜光聚合物制成的微型納米級全息光學元件被嵌入到鏡片上，代替了傳統波導中的棱鏡。和之前一樣，一個微型顯示屏被投影在鏡片的一端，全息光學元件折射光線，引導單向光波穿過表面，同時鏡片另一端的光學元件將光線折射進眼睛。這種了不起的工程是在棱鏡波導中一小部分的厚度的基礎上完成的。

位于美國加州的光學技術公司DigiLens在十年之前就已經完善了這一技術，為美國軍方打造出了航空電子抬頭顯示屏。

全息波導光學元件領域在近來也有不少新的企業進入：位于英國的TrueLife Optics和WaveOptics;來自美國科羅拉多州的Akonia Holographics。Akonia此前花費了十年時間和超過1億美金來研究全息存儲技術，但是并未成功。這三家公司看起來都在實驗室環境下成功做到了全息波導，設計上和DigiLens在2010年生產出的產品很相似。

所有以上提到過的波導設計仍然是“被動”的鏡片。這里的被動指的是鏡片本身并沒有電子組件，僅僅是被動的接受微型顯示屏投射來的光線，再被動的讓光線穿越鏡片，投射在用戶的眼睛里。

主動型全息波導（Active Holographic Waveguides）

DigiLens目前已經研發出了“主動”的全息波導。

DigiLens波導中的全息光學元件采用了基于液晶的薄膜聚合物，這些光學元件在電流的刺激下能夠改變狀態。

從軍用顯示屏起家，DigiLens不僅在航空電子領域有所建樹，也和航空電子供應商Rockwell Collins合作，為巴西航空工業公司Embraer的飛機打造了儀表盤式波導顯示器。DigiLens的首個消費者產品，一款為寶馬智能頭盔打造的顯示屏，即將在今年內發貨。

不僅如此，上文所提到的波導都只能應用在一個光滑的表面上。今年早些時候，DigiLens宣布自己的主動型全息波導將可以應用在曲面鏡片上，意味著它們的波導也可以用于常規的近視和遠視眼鏡上。公司在年初獲得了來自索尼和富士康的2200萬美元投資。

在最近和DigiLens創始人、主席、CEO/CTO Jonathan Waldern博士的訪談中，他透露公司正在研究將層壓板應用在鏡片的內部，技術上和波導顯示屏很相似，但是用一個攝像頭替代了微型顯示屏，這樣一來就可以在同樣厚度的鏡片上做到眼球追蹤。

這種技術一旦成功，就會成為光場技術中新的傳奇。就算Magic Leap使用多層波導來做到光場，DigiLens也已經在現有的設計中采用了多層波導——在紅色光譜中分離出自己的波導，這一分層位于藍綠色波導的頂部。此外，DigiLens還使用了層疊波導來擴展視場角(FOV)。公司沒有使用分層波導來實現光場的原因在于客戶對這種技術沒有需求——因此公司更加擅長情景導航數據處理，而不是娛樂領域。

DigiLens是一只沉睡中的獨角獸。消費者端可接受的的智能眼鏡的形態始于近眼光學也終止于近眼光學，而DigiLens在這一領域中也許領先其他波導OEM廠商不止七年。當然，DigiLens也在為美國軍方進行一些機密工作，但這并不妨礙我們知曉美國軍方正在使用DigiLens的顯示屏來打造鋼鐵俠那樣的抬頭顯示屏。