蘇大維格技術(shù)創(chuàng)新進入無人區(qū)-光場3D顯示

-.z.引言——大維格技術(shù)創(chuàng)新進入“無人區(qū)〞中國科技創(chuàng)新一直以來都是“有人區(qū)〞復(fù)制太多，本錢競爭劇烈，而“無人區(qū)〞真正的開拓創(chuàng)新太少。大維格上市以來依托完全自主搭建的微納制造平臺，持續(xù)不斷的通過技術(shù)創(chuàng)新進展“無人區(qū)〞，光學(xué)防偽技術(shù)用于，打破我國對國外技術(shù)依賴，在全球圍率先實現(xiàn)Metalmesh導(dǎo)電膜量產(chǎn)，創(chuàng)造性的開發(fā)了納米指向性背光膜。公司的微納制造技術(shù)是指精度在微米〔1um=10-3毫米〕、納米〔1nm=10-3um〕級的超細微加工極端制造技術(shù)。微納制造是超材料研發(fā)生產(chǎn)的核心技術(shù)，超材料具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來自人工設(shè)計的微納構(gòu)造。圖：微納構(gòu)造應(yīng)用領(lǐng)域大維格的微納制造創(chuàng)新平臺，占據(jù)了全球下一代材料加工、制造創(chuàng)新的制高點，該技術(shù)應(yīng)用疇眾多，平臺將產(chǎn)生大量的創(chuàng)新應(yīng)用、創(chuàng)新產(chǎn)品。公司構(gòu)建的多元技術(shù)壁壘國其他企業(yè)難以跨越，其核心設(shè)備自主研發(fā)，不受制于國外的裝備及零部件，并且技術(shù)與國際先進企業(yè)處于同一水平。經(jīng)過近幾年的開拓創(chuàng)新，公司目已經(jīng)在包裝材料、公共防偽、導(dǎo)光膜、導(dǎo)電膜等四個領(lǐng)域形成了完整的產(chǎn)業(yè)化布局，并且在特種功能膜材料〔熱燙印膜〕、LED納米圖形化襯底、OLED掩膜版、裸眼3D等領(lǐng)域擁儲藏了完善的技術(shù)。公司現(xiàn)憑借NanoCrystal200納米光刻設(shè)備，已經(jīng)開場布局“超材料〞領(lǐng)域的研發(fā)，其中基于NanoCrystal200生產(chǎn)的“納米指向性背光膜〞將應(yīng)用于全息裸眼3D領(lǐng)域，解決百年來3D顯示未解的視覺疲勞課題。圖：公司技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域以超材料為根底的光場裸眼3D裸眼3D顯示開展現(xiàn)狀近年來VR/AR受到業(yè)界關(guān)注，Google、Facebook、微軟等、阿里巴巴等巨頭均重兵投入。如果未來有什么技術(shù)可以顛覆現(xiàn)有顯示形態(tài)，改變現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，那就是VR/AR技術(shù)。3D顯示作為AR應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，一直以來都受到業(yè)界高度關(guān)注，國際著名大學(xué)和企業(yè)不斷加大了研發(fā)投入，在解決方案、關(guān)鍵材料、光學(xué)部件和視覺跟蹤技術(shù)等方面，取得重要進步。但是裸眼3D顯示原理上，100年來，根本沒有形成新突破，普遍采用的視障法〔paralle*barrier〕與視覺跟蹤技術(shù)、柱面透鏡光柵(lenticulargrating)光場成像法，雖工藝改良顯著，3D成像效果也非常逼真，但其始終無法解決觀察者視覺疲勞的問題。圖:AR應(yīng)用示前景2016年2月2日，Magicleap官方宣布獲得由阿里巴巴領(lǐng)投的7.94億美元融資，加上上輪由谷歌領(lǐng)投的5.42億美元，2014年年底以來累計獲得13.4億美元投資，總估值約45億美元。Magicleap之所以受到眾多互聯(lián)網(wǎng)巨頭青睞，在于它未來能夠?qū)崿F(xiàn)并普及光場顯示技術(shù)，這將對裸眼3D景顯示技術(shù)帶來一場實實在在的革命，光場裸眼3D顯示能夠根本解決觀察者視覺疲勞技術(shù)難題，因此其獲得空前的投資自然是名至實歸。光場顯示技術(shù)原理在計算機圖形學(xué)領(lǐng)域，3D渲染演示技術(shù)的演化進程可以大致劃分成針孔相機、雙目立體視覺、光場、數(shù)字全息四個階段。簡而言之，針孔相機演示技術(shù)的代表作是早期的動畫電影"最終夢想"，雙目立體視覺的代表作是3D版的"阿凡達"，光場的代表作就是MagicLeap發(fā)布的視頻，數(shù)字全息技術(shù)的代表作是"星球大戰(zhàn)"中的場景。圖：最終夢想：光線跟蹤法渲染，針孔相機顯示技術(shù)圖：3D版的"阿凡達"，雙目立體視覺圖：MagicLeap，增強現(xiàn)實，光場技術(shù)圖：星球大戰(zhàn)，數(shù)字全息技術(shù)針孔相機傳統(tǒng)的光學(xué)相機，其理想模型就是針孔相機。在計算機圖形學(xué)中，傳統(tǒng)的渲染方法都是基于這種相機模型。如圖7所示，從相機的光心出發(fā)，經(jīng)過成像屏幕的每一個像素，發(fā)出一條射線。光學(xué)跟蹤法〔raytracing〕用幾何光學(xué)的物理法則計算這條射線的顏色，即為相應(yīng)像素的顏色。在這里，我們需要一個概念上的轉(zhuǎn)換，每個像素不是一個點，而是一條射線，這是理解光場的關(guān)鍵！換言之，一相片就是通過光心的一簇射線。"最終夢想"就是用光學(xué)跟蹤法來渲染制作的。圖：光線跟蹤法中的針孔相機模型雙目立體視覺人類具有兩只眼睛，觀看物體時兩眼各自成像，大腦根據(jù)兩眼成像的細微差異計算每一點的深度信息，從而得到立體感覺。模仿人眼，我們可以用雙鏡頭相機得到雙目立體相片。本質(zhì)上而言，雙目立體視覺相片就是從兩個光心出發(fā)的兩簇射線。3D版"阿凡達"就是以此原理制作的。相對于單目相機，雙目立體視覺時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度加倍。光場3D原理在光學(xué)領(lǐng)域中，光場是一個古老的概念。在1996年被微軟和斯坦福學(xué)者引進到計算機圖形學(xué)領(lǐng)域，開展到2016年的今天，已經(jīng)整整二十年。雖然在學(xué)術(shù)界，人們不懈地研究深化，真正在工業(yè)界產(chǎn)生影響，還是近幾年的事情。MagicLeap應(yīng)該算是LightField理論在現(xiàn)實應(yīng)用中的一個巔峰。圖：光場〔LightField〕的魔盒解釋我們假設(shè)用一個玻璃盒子罩住一只兔子，然后透過玻璃盒子來觀察這只兔子。從盒子外表的任意一點，向三維空間的任意一個方向發(fā)出一條射線，這條射線的顏色由兔子和光照條件所決定。我們用來表示玻璃盒子，表示單位向量，一條射線表示為,所有射線的集合記為。每條射線對應(yīng)著一個顏色，我們用三維空間中的一個點來表示。因此，光場就是從射線空間到顏色空間的映射。換言之，光場是定義在射線空間上的矢量值函數(shù)：。假設(shè)我們?nèi)サ袅瞬ＡШ凶又械耐米?，但是這個玻璃盒子是一個魔盒，光場信息被完美保存。當(dāng)我們觀察這一魔盒的時候，所有經(jīng)過一只眼睛的射線合成了視網(wǎng)膜上的一幅圖像。我們可以自由地改變距離和視角，兔子在視網(wǎng)膜上的圖像相應(yīng)地自然變化，根本覺察不到兔子的消失。因此，有了魔盒，我們不再需要真正的兔子。這個魔盒就是兔子的光場。光場渲染我們可以用兔子的光場來取代兔子，渲染生成各種角度的照片，這樣我們無需為建立兔子的幾何模型，紋理模型和光照模型。對于大場景，復(fù)雜光照條件，或者復(fù)雜幾何模型〔如長絨玩具〕等等，光場比實物的數(shù)字模型更為簡單，或者光場比光線跟蹤得到的渲染結(jié)果更加逼真，或者更加高效，我們用光場來渲染。這是所謂的基于圖像的渲染方法〔ImageBasedRendering)。歷史上，微軟曾經(jīng)出過一版基于光場的游戲，類似孤島尋寶，所有場景都是從真實自然中采集，非常逼真，但是最后沒有引起任何反響，無疾而終。超材料鏡片攻克光場采集難題光場是定義在射線空間上的函數(shù)，射線空間是4維的，傳統(tǒng)的針孔相機只能采集二維射線簇，因此光場采集具有本質(zhì)的難度。早期光場采集的方法簡單粗暴，就是用大規(guī)模相機陣列，這種光場相機笨重昂貴，無法普及。隨數(shù)字相機技術(shù)的成熟，針孔相機愈來愈小，可以密集地集成在一起，從而縮小了光場相機的體積。但是鏡頭的尺寸無法縮減。圖：斯坦福制作的陣列相機未來光場采集真正的突破來自于仿生學(xué)。許多昆蟲都有復(fù)眼〔poundEye〕,復(fù)眼獲取的就是光場信息。人類模仿昆蟲，制造了類似復(fù)眼的鏡頭，在一個大鏡頭上集成了數(shù)十個小鏡頭。圖：昆蟲復(fù)眼圖：陣列鏡片真正實現(xiàn)光場采集十幾個鏡頭是不夠的，我們需要在一個鏡頭上集成數(shù)千個鏡頭。超材料的開展，將使我們的夢想成為現(xiàn)實，超材料技術(shù)可以實現(xiàn)在一塑料薄膜上集成了數(shù)千個微小鏡頭的設(shè)想。目前基于超材料鏡片的鏡頭研發(fā)已經(jīng)在哈佛大學(xué)取得實質(zhì)進展，其在透明石英上放滿柱狀的氧化鈦，高度僅有600納米，被稱為全球“最迷你的巨石陣〞。哈佛團隊測試發(fā)現(xiàn)，超材料鏡片的影像比55毫米的顯微鏡更銳利，厚度卻只有傳統(tǒng)鏡片的十萬分之一。大維格通過微納制造技術(shù)，通過納米壓印的方式實現(xiàn)了微透鏡陣列薄膜的量產(chǎn)，及在一塑料薄膜上作出成千上萬個微透鏡陣列。蠅眼即由成千上萬個微透鏡〔Microlens〕構(gòu)成，微透鏡與經(jīng)過設(shè)計的微圖文相結(jié)合，可以實現(xiàn)靜態(tài)3D顯示效果。雖然目前還未有完全仿真昆蟲復(fù)眼的超材料出現(xiàn)，但隨著微納制造技術(shù)應(yīng)用的進一步深入，相信在不遠的未來，我們可以制造出微鏡頭陣列薄膜。圖：顯微鏡下的微透鏡陣列薄膜光場顯示—MagicLeap核心技術(shù)MagicLeap的核心技術(shù)是一種特殊的光場顯示設(shè)備，該設(shè)備的核心技術(shù)在于其核心部件光子光場芯片，該芯片用于四維光場的產(chǎn)生和調(diào)控，基于四維光場所產(chǎn)生的3D圖像能夠真正實現(xiàn)無視覺疲勞的裸眼3D。光子光場芯片的本質(zhì)是一個超材料鏡片，生產(chǎn)芯片的核心在于需要解決的難點就是四維參量納米構(gòu)造設(shè)計與制備。圖：光子光場芯片圖：基于四維光場的裸眼3D效果注：一只鯊魚憑空從籃球場上躍出。納米構(gòu)造設(shè)計及制備制我們首先想到的是電子束光刻〔e-beamlithography〕，電子束光刻的構(gòu)造可達10nm。但是，電子術(shù)光刻是一種極慢的納米寫入方法，制備的器件尺寸僅能以毫米計。大維格基于超材料研究所研發(fā)的NanoCrystal200是為超材料而生的一種先進的納米構(gòu)造并行光學(xué)寫入手段，比電子束光刻至少快400倍以上，NanoCrystal200一天寫入的納米構(gòu)造，電子束寫入需要超過1年。NanoCrystal200攻克了大尺寸納米構(gòu)造高精度制備的國際重大難題，這為研究基于全息顯示原理的裸眼3D顯示，奠定了技術(shù)根底。圖：NanoCrystal200參數(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域大維格依托自主設(shè)備切入光場裸眼3D大維格通過國家863方案重大工程資助，經(jīng)近幾年研發(fā)，將全息顯示與納米制造技術(shù)相結(jié)合，通過納米構(gòu)造的光場成像原理、納米光刻、納米壓印和側(cè)向?qū)Ч饧夹g(shù)，研制成功“多視點指向性背光源的納米導(dǎo)光板〞。大維格將納米導(dǎo)光板將應(yīng)用于四維光場3D顯示設(shè)備研發(fā)，該設(shè)備將從根源消除3D視覺疲勞。圖：大維格全息裸眼3D顯示原理隨著巨頭的重金投入Magicleap有望引領(lǐng)光場顯示技術(shù)趨勢,成為AR顯示終極方案。大維格擁有NanoCrystal200自主知識產(chǎn)權(quán)裝備，另外公司技術(shù)團隊在全息領(lǐng)域有大量技術(shù)儲藏，其中光場顯示技術(shù)國領(lǐng)先〔董事長林森曾擔(dān)任了十年的中國全息光學(xué)實驗室主任〕。目前公司全息裸眼3D設(shè)備已經(jīng)完成黑白設(shè)備研發(fā)，正在做彩色樣機的研發(fā)，并就核心技術(shù)申請了多個創(chuàng)造專利。雖然裸眼3D短期不能為大維格帶來經(jīng)濟效益，但是大維格強大的技術(shù)研發(fā)能力及現(xiàn)有裝備優(yōu)勢，未來有望開展為全息裸眼3D領(lǐng)域的一匹黑馬，現(xiàn)在說大維格是中國的Magicleap并不為過。表：大維格全息裸眼3D先關(guān)專利專利申請?zhí)枌＠Q5*一種量子點激光器指向型背光模組及裸眼3D顯示裝置23一種多視角像素指向型背光模組及裸眼3D3D65指向性彩色濾光片和裸眼3D顯示裝置37一種裸眼3D激光顯示裝置58一種投影式裸眼3D顯示裝置及其彩色化顯示裝置56一種裸眼3D顯示裝置及實現(xiàn)裸眼3D顯示的方法大維格是國的頂尖的光場顯示研發(fā)團隊，其頂尖來自于根底設(shè)備自主研發(fā)，這是公司能夠在無人區(qū)創(chuàng)新的先決條件，相信假以時日，公司光場顯示技術(shù)將全球領(lǐng)先。就像大維格導(dǎo)電膜研發(fā)一樣，其研發(fā)過程中也受到過眾多質(zhì)疑，但是幾年時間過去，我們不可思議的發(fā)現(xiàn)，大維格僅用了1億不到資金，完成了產(chǎn)品量產(chǎn)，并建立了生產(chǎn)線。而其中不乏幾億幾十億資金投入的業(yè)大佬打了水漂，大維格研發(fā)能力是依托自主核心設(shè)備，因此其能根據(jù)研發(fā)需要快速響應(yīng)需求，公司進入超材料領(lǐng)域也是基于自主研發(fā)的核心設(shè)備NanoCrystal200。全息裸眼3D必將成為下一個改變世界的技術(shù)，大維格光場3D技術(shù)蘊含巨大商業(yè)價值，一旦公司樣機成功推出市場，公司必將和magicleap一樣獲得眾多巨頭的資金投入。公司目前正與國大型企業(yè)就光場3D展開嚴密合作，預(yù)計設(shè)備研發(fā)完成后將與大知名企業(yè)一起推進，產(chǎn)品一旦商業(yè)化，開展前景無可限量。:超材料簡介超材料〔metamaterial〕是一種特種復(fù)合材料或構(gòu)造，通過對材料關(guān)鍵物理尺寸進展有序構(gòu)造設(shè)計，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。在宏觀物理世界，當(dāng)一束光從空氣斜射入水中，入射光與折射光應(yīng)該在法線兩側(cè)。則，是否存在這樣一種介質(zhì)，當(dāng)光入射其中，入射光與折射光位居法線同側(cè)？1968年，前聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)發(fā)現(xiàn)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負值物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)，從而在理論上預(yù)測了上述“反常〞現(xiàn)象，這就是超材料理論起源。例如當(dāng)一束光射入具有尺寸小于光波長的納米構(gòu)造上，這些構(gòu)造可借由不同形狀、大小和排列和光子相互作用，把它們或阻斷、或吸收、或增強、或折射。圖：宏觀光學(xué)效應(yīng)圖：超材料形成彩虹效應(yīng)超材料具有新奇人工構(gòu)造的復(fù)合材料；具有常規(guī)〔或傳統(tǒng)〕材料不具備的超常物理性質(zhì)；超常物理性質(zhì)主要由新奇的人工構(gòu)造決定；新奇的人工構(gòu)造包括單元構(gòu)造〔人工原子和人工分子〕和單元構(gòu)造集合而成的復(fù)合構(gòu)造兩個層次。超材料是21世紀以來出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)。近年來，科學(xué)家沿著菲斯拉格的理論，依靠一些間隔僅有1毫米的幾千分之一的人工構(gòu)造，將材料的單元構(gòu)造(人工原子和人工分子)集合，通過不同的結(jié)合構(gòu)造和排列設(shè)計制造出各種超材料，實現(xiàn)了讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。圖：超材料微觀構(gòu)造超材料的設(shè)計思想是新穎的，這一思想的根底是通過在多種物理構(gòu)造上的設(shè)計來突破*些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設(shè)計思想昭示，人們可以在不違背根本