你试过用App在家里虚拟摆放家具来看效果吗?用过可以改变自己形象的App吗?玩过曾经风靡一时的游戏《Pokemon Go》吗?这些都是增强现实(AR)在生活中的例子。
AR系统能够巧妙地将计算机生成的内容叠加到现实世界中。尽管谷歌眼镜在市场上的表现未达预期,但目前,AR系统的开发进展稳步推进,市场需求也持续增长。理想的AR眼镜应具备丰富的功能,同时兼顾轻便和舒适,能适合全天候佩戴,不过这样的AR眼镜目前尚未上市。事实上,开发既能提供高分辨率图像又具有低能耗的解决方案并非易事。随着开发者不断探索未来的无限可能,他们逐渐认识到,光电子集成电路(PIC)可能是实现这一目标的关键。
通过利用光的优势,光电子集成电路(PIC)可以实现快速、低功耗且高容量的数据传输。此外,PIC支持微型化激光束扫描技术,为更高性能、更舒适的AR眼镜提供了新的可能性。
位于荷兰的BrillianceRGB公司深刻理解PIC在AR应用中的重要价值,目前正在开发适用于AR和虚拟现实(VR)眼镜中的激光投影光电子芯片。本文将详细介绍这家公司如何应用新思科技的光电子技术,制造出小巧且高效的RGB激光器,以推动AR眼镜的发展。
AR如何朝着沉浸式互联网的方向演变
AR技术并不是新概念,其历史可以追溯到1968年,当时哈佛大学的计算机科学家Ivan Sutherland发明了首个AR头戴显示系统。商业化方面,2008年德国开发出了首款AR应用,主要用于广告。如今,AR技术的潜力已经日益显现。游戏行业和元宇宙对AR系统的需求极大,同时,为了提升工作效率,AR技术也在工业领域得到了广泛应用。例如,在新冠疫情期间,由于出行限制,ASML开发了一款AR解决方案,使技术支持人员可以“进入”客户的洁净室,协助检修光刻机并确保其正常运行。在医疗领域,医生利用AR技术进行培训、手术准备及获取患者生命体征数据。
未来学家Bernard Marr在《福布斯》杂志的一篇文章中预测,今年AR和VR等技术将带来更具协作性与互动性的在线体验,进一步推动“沉浸式互联网”的发展。为了使AR眼镜等AR系统成为主流,并为沉浸式互联网提供更强大的支持,开发者面临着诸多挑战。其中一个难题是如何制造适合所有人在各种环境下使用的AR眼镜,例如让佩戴处方眼镜的用户在阳光明媚的天气中也能舒适使用。但在实现这一目标之前,开发者首先需要制作出外观和触感与日常眼镜相似的AR眼镜。到目前为止,现有产品仅实现了一些小幅改进,目前尚未取得重大突破。
增强现实眼镜的工作原理
AR利用光学器件搭建仿真环境,然后叠加到真实环境中,以增强使用体验。AR眼镜的工作原理与车载抬头显示器类似,即通过佩戴者眼前的眼镜来投影仿真内容。本质上来说,眼睛是接收器,而微显示器或激光器是光源,透镜是光学元件。微显示器光源可能来自有机发光二极管(OLED)或液晶显示器(LCD)。光学元件将来自微显示器或激光器的光与来自现实世界的光相结合,然后将来自微显示器或激光器的增强信息投射到现实世界中。
现有的设计使用导光条将光源创建的图像传送到眼睛,开发者需使用多种工具来仿真所要达到的效果。在光学工作流程中,光栅耦合器需借助RSoft DiffractMOD严格耦合波分析法(RCWA)和FullWAVE时域有限差分法(FDTD)软件,将显示器图像注入导光条中或从导光条中提取出来。理想情况下,导光条应整合到传统的眼镜框架里。开发者可通过LightTools照明设计软件将光栅添加到模型中,然后仿真辐射度性能,以确保佩戴者能够看到清晰的图像,缓解因杂散光造成的对比度下降问题。随工作流程持续推进,各种组件逐渐得到完善并相互结合,不断简化设计迭代的过程。
光电子集成电路帮助大幅减小RGB激光模块的尺寸
PIC能够低延迟地快速传输数据,因而在超大规模数据中心等应用中备受青睐。PIC可帮助AR眼镜以更高效的方式处理光线,从而促进研发更轻便、更节能的眼镜设备,提供更加清晰生动、流畅自然的全息图像。通过使用PIC,BrillianceRGB开发出了尺寸更小、效率更高的红绿蓝三色(RGB)光源。该光源的尺寸为4×7mm2(并正朝4×4.5mm2方向发展),输出功率高达100mW,可帮助客户克服AR投影应用在微型化、集成度、能效和总体舒适度方面的挑战。
为了尽量缩小RGB激光模块的尺寸,BrillianceRGB采用了基于氮化硅的PIC。另外,借助光电子技术和半导体开发方法,BrillianceRGB还开发出了一种可扩展性超强的制造和封装工艺。其激光芯片采用“倒装芯片”技术,紧贴其他先进组件放置。目前,BrillianceRGB正致力于将现有的概念验证转化为针对特定客户的定制化原型,并力求与客户的眼镜框架实现无缝集成,以便顺利进行批量生产。
BrillianceRGB的激光芯片设计采用了新思科技的OptoDesigner工具,该工具深受BrillianceRGB许多资深开发者的青睐,他们从大学时期就开始使用这款解决方案,对其非常熟悉。
OptoDesigner的算法模块能够帮助开发者设计和优化光电子元件、波导以及整个芯片。在光子集成电路(PIC)中,波导的作用是限制并引导光能的流动,如果设计得当,还可以高效地组合和传输红绿蓝三色光。得益于OptoDesigner解决方案中内置的光电子感知算法,BrillianceRGB的波导布线一次成功,极大地节省了时间和人力资源。
现在,OptoDesigner已与新思科技的OptoCompiler完全集成,后者是一个一站式的电子和光电子设计环境,支持PIC的仿真、布局和验证。OptoCompiler还能为AR应用设计和优化超表面。
AR必将很快成为主流
在未来几年内,AR眼镜有望进入主流市场,这一过程必将令人瞩目。届时,我们可能会看到有人在地铁通勤时,通过虚拟屏幕来处理工作。同时,光电子技术将继续展现其价值,为全球带来更多创新的AR系统应用。
审核编辑:刘清
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原文标题:如何为AR眼镜加一点来自光电子技术的“科技灵魂”?
文章出处:【微信号:Synopsys_CN,微信公众号:新思科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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