蘇大維格技術創(chuàng)新進入無人區(qū)-光場3D顯示

-.z.引言——大維格技術創(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)不斷的通過技術創(chuàng)新進展“無人區(qū)〞，光學防偽技術用于，打破我國對國外技術依賴，在全球圍率先實現Metalmesh導電膜量產，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。微納制造是超材料研發(fā)生產的核心技術，超材料具備天然材料所不具備的特殊性質，而且這些性質主要來自人工設計的微納構造。圖：微納構造應用領域大維格的微納制造創(chuàng)新平臺，占據了全球下一代材料加工、制造創(chuàng)新的制高點，該技術應用疇眾多，平臺將產生大量的創(chuàng)新應用、創(chuàng)新產品。公司構建的多元技術壁壘國其他企業(yè)難以跨越，其核心設備自主研發(fā)，不受制于國外的裝備及零部件，并且技術與國際先進企業(yè)處于同一水平。經過近幾年的開拓創(chuàng)新，公司目已經在包裝材料、公共防偽、導光膜、導電膜等四個領域形成了完整的產業(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等領域擁儲藏了完善的技術。公司現憑借NanoCrystal200納米光刻設備，已經開場布局“超材料〞領域的研發(fā)，其中基于NanoCrystal200生產的“納米指向性背光膜〞將應用于全息裸眼3D領域，解決百年來3D顯示未解的視覺疲勞課題。圖：公司技術應用領域以超材料為根底的光場裸眼3D裸眼3D顯示開展現狀近年來VR/AR受到業(yè)界關注，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可以顛覆現有顯示形態(tài)，改變現有互聯(lián)網生態(tài)，那就是VR/AR技術。3D顯示作為AR應用的關鍵技術，一直以來都受到業(yè)界高度關注，國際著名大學和企業(yè)不斷加大了研發(fā)投入，在解決方案、關鍵材料、光學部件和視覺跟蹤技術等方面，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、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應用示前景2016年2月2日，Magicleap官方宣布獲得由阿里巴巴領投的7.94億美元融資，加上上輪由谷歌領投的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)網巨頭青睞，在于它未來能夠實現并普及光場顯示技術，這將對裸眼3D景顯示技術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。光場顯示技術原理在計算機圖形學領域，3D渲染演示技術的演化進程可以大致劃分成針孔相機、雙目立體視覺、光場、數字全息四個階段。簡而言之，針孔相機演示技術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，數字全息技術的代表作是"星球大戰(zhàn)"中的場景。圖：最終夢想：光線跟蹤法渲染，針孔相機顯示技術圖：3D版的"阿凡達"，雙目立體視覺圖：MagicLeap，增強現實，光場技術圖：星球大戰(zhàn)，數字全息技術針孔相機傳統(tǒng)的光學相機，其理想模型就是針孔相機。在計算機圖形學中，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)，經過成像屏幕的每一個像素，發(fā)出一條射線。光學跟蹤法〔raytracing〕用幾何光學的物理法則計算這條射線的顏色，即為相應像素的顏色。在這里，我們需要一個概念上的轉換，每個像素不是一個點，而是一條射線，這是理解光場的關鍵！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雜度和空間復雜度加倍。光場3D原理在光學領域中，光場是一個古老的概念。在1996年被微軟和斯坦福學者引進到計算機圖形學領域，開展到2016年的今天，已經整整二十年。雖然在學術界，人們不懈地研究深化，真正在工業(yè)界產生影響，還是近幾年的事情。MagicLeap應該算是LightField理論在現實應用中的一個巔峰。圖：光場〔LightField〕的魔盒解釋我們假設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：。假設我們去掉了玻璃盒子中的兔子，但是這個玻璃盒子是一個魔盒，光場信息被完美保存。當我們觀察這一魔盒的時候，所有經過一只眼睛的射線合成了視網膜上的一幅圖像。我們可以自由地改變距離和視角，兔子在視網膜上的圖像相應地自然變化，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，復雜光照條件，或者復雜幾何模型〔如長絨玩具〕等等，光場比實物的數字模型更為簡單，或者光場比光線跟蹤得到的渲染結果更加逼真，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，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。隨數字相機技術的成熟，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。許多昆蟲都有復眼〔poundEye〕,復眼獲取的就是光場信息。人類模仿昆蟲，制造了類似復眼的鏡頭，在一個大鏡頭上集成了數十個小鏡頭。圖：昆蟲復眼圖：陣列鏡片真正實現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千個鏡頭。超材料的開展，將使我們的夢想成為現實，超材料技術可以實現在一塑料薄膜上集成了數千個微小鏡頭的設想。目前基于超材料鏡片的鏡頭研發(fā)已經在哈佛大學取得實質進展，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，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，通過納米壓印的方式實現了微透鏡陣列薄膜的量產，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〕構成，微透鏡與經過設計的微圖文相結合，可以實現靜態(tài)3D顯示效果。雖然目前還未有完全仿真昆蟲復眼的超材料出現，但隨著微納制造技術應用的進一步深入，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MagicLeap的核心技術是一種特殊的光場顯示設備，該設備的核心技術在于其核心部件光子光場芯片，該芯片用于四維光場的產生和調控，基于四維光場所產生的3D圖像能夠真正實現無視覺疲勞的裸眼3D。光子光場芯片的本質是一個超材料鏡片，生產芯片的核心在于需要解決的難點就是四維參量納米構造設計與制備。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。納米構造設計及制備制我們首先想到的是電子束光刻〔e-beamlithography〕，電子束光刻的構造可達10nm。但是，電子術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造并行光學寫入手段，比電子束光刻至少快400倍以上，NanoCrystal200一天寫入的納米構造，電子束寫入需要超過1年。NanoCrystal200攻克了大尺寸納米構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，奠定了技術根底。圖：NanoCrystal200參數及應用領域大維格依托自主設備切入光場裸眼3D大維格通過國家863方案重大工程資助，經近幾年研發(fā)，將全息顯示與納米制造技術相結合，通過納米構造的光場成像原理、納米光刻、納米壓印和側向導光技術，研制成功“多視點指向性背光源的納米導光板〞。大維格將納米導光板將應用于四維光場3D顯示設備研發(fā)，該設備將從根源消除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有望引領光場顯示技術趨勢,成為AR顯示終極方案。大維格擁有NanoCrystal200自主知識產權裝備，另外公司技術團隊在全息領域有大量技術儲藏，其中光場顯示技術國領先〔董事長林森曾擔任了十年的中國全息光學實驗室主任〕。目前公司全息裸眼3D設備已經完成黑白設備研發(fā)，正在做彩色樣機的研發(fā)，并就核心技術申請了多個創(chuàng)造專利。雖然裸眼3D短期不能為大維格帶來經濟效益，但是大維格強大的技術研發(fā)能力及現有裝備優(yōu)勢，未來有望開展為全息裸眼3D領域的一匹黑馬，現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，公司光場顯示技術將全球領先。就像大維格導電膜研發(fā)一樣，其研發(fā)過程中也受到過眾多質疑，但是幾年時間過去，我們不可思議的發(fā)現，大維格僅用了1億不到資金，完成了產品量產，并建立了生產線。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備，因此其能根據研發(fā)需要快速響應需求，公司進入超材料領域也是基于自主研發(fā)的核心設備NanoCrystal200。全息裸眼3D必將成為下一個改變世界的技術，大維格光場3D技術蘊含巨大商業(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，預計設備研發(fā)完成后將與大知名企業(yè)一起推進，產品一旦商業(yè)化，開展前景無可限量。:超材料簡介超材料〔metamaterial〕是一種特種復合材料或構造，通過對材料關鍵物理尺寸進展有序構造設計，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質。在宏觀物理世界，當一束光從空氣斜射入水中，入射光與折射光應該在法線兩側。則，是否存在這樣一種介質，當光入射其中，入射光與折射光位居法線同側？1968年，前聯(lián)理論物理學家菲斯拉格(Veselago)發(fā)現，介電常數和磁導率都為負值物質的電磁學性質，從而在理論上預測了上述“反常〞現象，這就是超材料理論起源。例如當一束光射入具有尺寸小于光波長的納米構造上，這些構造可借由不同形狀、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：宏觀光學效應圖：超材料形成彩虹效應超材料具有新奇人工構造的復合材料；具有常規(guī)〔或傳統(tǒng)〕材料不具備的超常物理性質；超常物理性質主要由新奇的人工構造決定；新奇的人工構造包括單元構造〔人工原子和人工分子〕和單元構造集合而成的復合構造兩個層次。超材料是21世紀以來出現的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質。近年來，科學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造，將材料的單元構造(人工原子和人工分子)集合，通過不同的結合構造和排列設計制造出各種超材料，實現了讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。圖：超材料微觀構造超材料的設計思想是新穎的，這一思想的根底是通過在多種物理構造上的設計來突破*些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設計思想昭示，人們可以在不違背根本