全像投影強勢回歸 加速AR-HUD導航上路

作者 : Junko Yoshida, EE Times首席國際特派員

「全像投影」(Holography)強勢回歸!這一次,它將用於下一代車輛的抬頭顯示器(HUD),以AR實境技術在車前擋風玻璃上疊加導航資訊,以避免駕駛人在開車時分散視線…

「全像投影」(Holography)強勢回歸!但它不再是以我們熟悉的科幻電影形式出現——例如《星際大戰》(Star War)系列電影中,莉亞公主(Princess Leia)利用投影向R2-D2求救。這一次,它將用於下一代車輛中的商業抬頭顯示器(HUD),為駕駛人和乘客提供導航等輔助功能。


TD-HUD(來源:Ceres)

成立於2009年的蘇格蘭新創公司Ceres Holographics開發了一種數位後期製作(digital mastering)技術,並聲稱搭配其全像光學元件(Holographic Optical Elements;HOE),可望成為汽車OEM和Tier-1實現1980年代以來夢寐以求的HUD設計關鍵。汽車產業一直渴望開發出一種透明顯示器,能夠在車子的擋風玻璃上顯示導航資訊,以避免駕駛人在開車時分散視線。

由於這種全像技術使用的投影封裝尺寸比以往所開發的明顯更小許多,Ceres有信心它能夠將明亮又寬廣的視野資訊疊加在曲面的擋風玻璃上。

多年來,汽車製造商嘗試過各種技術以產生螢幕影像,從CRT和LED到使用光波導的「合成器」。但是,Ceres執行長Andy Travers告訴《EE Times》,至今還沒有哪一種方法真正起飛。他說:「傳統技術需要的投影封裝太大,而無法嵌入於儀表板中。」


AR-HUD(來源:Ceres)

Ceres打算分兩階段將其HOE技術推廣到兩種不同的產品應用。首先是基於簡單投影機的「透明顯示」(Transparent Display;TD);其次則將會是支援先進投影機的「擴增實境」抬頭顯示(AR-HUD)應用。對於這兩種產品,Travers告訴《EE Times》,已經有OEM和Tier-1廠商對其技術進行測試中,其中有些已在最終測試階段了。Travers預計採用TD技術的車型將在2022或2023年開始生產,而在那之後的一年則將投產搭載AR-HUD技術的車輛。

全像投影如何運作?

全像投影(hologram)技術本質上是實體記錄由兩束光線產生的干涉圖樣。Ceres執行長Travers認為它「有點像攝影技術」。

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手持全像薄膜的Andy Travers將全像圖解讀為一種干涉圖樣,它使用繞射來重建3D光場。
(來源:EE Times)

然而,全像投影可重建3D光場,而非傳統攝影中以2D影像呈現所捕捉到的物件。

在攝影時需要使用鏡頭來記錄影像。但在全像投影光線的操縱中並非如此。物體所發出的光線直接散射到記錄介質上。

Travers指出,全像投影的另一個重要方面是其「實際捕捉光作用」的能力。他說:「您可以製作一個鏡頭或鏡像的全像投影,然後基本上就可以在非常薄的全像薄膜上捕捉該光學功能。」

這是Ceres賦予其全像光學元件的功能。該公司開發了一種方法來捕捉光學功能,再以數位後製到全像薄膜上。

為什麼花了這麼長的時間?

該技術由匈牙利裔的英國EE和物理學家Dennis Gabor於1947年發明,他還曾經獲得1971年諾貝爾物理學獎(Nobel Prize)。許多工程師可能會對Ceres的主張是否能成功持懷疑態度。畢竟,全像投影技術已經存在將近四分之三個世紀了,但尚未找到大量應用。

然而,全像投影已用於戰鬥機的HUD中,例如,放置瞄準武器系統的可視框架。 Travers指出,其缺點之一在於HOE中的材料使用了重鉻酸鹽明膠。「這是一種有毒物質,你可不能將這種材料用於大量的消費電子產品中。」

在全像投影創新方面,Ceres之所以不同於競爭對手之處有二。首先是其多年在最佳化無毒全像薄膜材料方面的經驗,其次則是Ceres在數位後製列印技術方面的創新。

材料創新

讓我們從全像薄膜材料開始談起。

Ceres開發的許多HOE都利用了最初由InPhase Technologies開發的新型無毒光敏聚合物薄膜材料。InPhase Technologies在2000年從Bell Labs分拆而出,致力於開發全像投影資料儲存解決方案。


Ian Redmond

InPhase的光敏聚合物化學被德國公司Bayer Material Science (現稱為Covestro)收購,Covestro生產的材料稱為Bayfol HX。Ceres/Bayfol HX之間的橋樑是Ceres創辦人兼CTO Ian Redmond。Ian Redmond曾經在InPhase工作了幾年,主導全像攝影的開發工作,並累積了對於高性能光敏聚合物介質的深刻了解。

據Yole Développement技術與市場分析師Zine Bouhamri觀察,由於各種競爭技術不斷出現,InPhase後來發展出資料導向架構(DOA)的資料儲存應用。

但是Redmond在InPhase學到的基礎技術成為後來他從美國回到蘇格蘭創辦Ceres的基礎。

Bouhamri指出,Ceres「對於這項技術有著非常深刻的認識和理解,有助於其開發產品。更具體地說,他們似乎已經開始為商業應用開發全像投影材料了。在一個技術實力決定成敗的新興領域,這代表他們擁有很高的優勢。」

數位後製技術創新

除了全像薄膜材料,Ceres還發明數位後製列印技術,從而使其脫穎而出。

Bouhamri說:「我們相信[Ceres]是目前唯一使用數位方式複製全像投影而進行生產的,而且他們也自行製造設備。這可能讓他們比競爭對手更具優勢。」

那麼,什麼是「數位後製」(digital mastering)?Ceres稱此過程為「後期製作」(mastering),因為它有點像是錄音。在錄音時,樂器或聲帶產生的振動會被加以編碼,以便日後可在無需原始振動源的情況下重製。全像技術也是一種能夠記錄光場且可在隨後沒有原始光場的情況下進行重建。

在開發數位控制的後製過程中,Ceres為其基於Bayfol HX光敏聚合物的全像印表機進行了最佳化,Ceres自2009年起開始使用,並對其進行表徵和最佳化。

Ceres的數位後製印表機可以產生大幅的全像投影,其中由許多250mm2的全像投影「畫素」組成。Travers提醒說,和電視畫素不同的是,這裡的每個畫素都是「可編程的」,以便可在RGB中產生任意光場。同樣地,參考光束的角度也是可編程的。透過此後製過程,Ceres可以數位化指定和編程任意光功能(例如不同類型的鏡像和透鏡),使其成為軟性薄膜。

有了這些進步,Bouhamri認為,全像投影不再是一種難以捉摸的技術。他說,過去幾年已經建立了「一條足以讓人可大量製造的道路」。

Bouhamri指出,「大規模製造能力」正是全像投影技術用於AR和HUD的主要問題。但是,由於「全像領域業界長期不懈地努力」,他預期全像元素很快就能設計成幾種商用化產品。

Apple浮出枱面…

就在全像技術風潮於2018年開始回歸之際,蘋果(Apple)收購了美國全像資料儲存新公司Akonia Holographics,這家公司是由原本留在InPhase的人於2012年成立的。

正如Bouhamri所指出的,當Apple收購Akonia時,「這是Apple進軍AR硬體的第一個跡象。」而光是這一點就具有新聞價值。他補充說,但這也「為AR中使用全像材料帶來了希望。」

這意味著透過進一步擴展,Ceres (其技術也源於InPhase)可以吸引投資者和媒體的關注。

至於IP呢?Akonia和Ceres的IP可能交叉授權嗎?

據Travers解釋,Akonia將擁有InPhase開發的所有資料儲存技術,以及光聚合物化學專利以及使用這些專利的權利。「但是我確信這並不至於限制Bayer/Covestro改善其薄膜材料」。

由於Akonia的業務歸根究底就是在製造眼鏡HOE,因此Travers猜測Apple收購的是Akonia的「類全像光學元件專業知識」。他補充說:「我很確定他們並未(如同Ceres一樣地)打造數位印表機」,但是「如果他們願意的話還是做得到。」

換句話說,Ceres仍擁有開發其產品所需的所有IP,而不至於侵犯Akonia/Apple擁有的IP。Ceres認為其公司優勢仍然在於其數位印表機。

而Ceres是否有機會善加利用其數位印表機,開發用於AR眼鏡的HOE?

Travers說:「我們可以透過數位後製眼鏡用HOE鏡片/鏡像。」他認為,數位後製技術將比類比錄製技術更優越且更具有可重建性。

同時,Bouhamri建議要謹慎行事,因為目前針對消費AR眼鏡的市場還不存在。然而,在微軟(Microsoft)或Magic Leap等「傳統大咖」投入開發和製造基於奈米壓印微影的不同技術之際,Apple進入AR硬體領域的意義就更重大了。Bouhamri觀察到,如今,表面蝕刻光閘與全像元件之間存在競爭。而Apple和Ceres都屬於全像元素領域。

但即使是在全像技術領域也存在選擇。他說:「我們(Yole)看到有的採用波導(Digilens),而其他還有是在透鏡上帶有簡單的反射器(Bosch)。但業界預計波導將佔據主導地位。」

至於Ceres的技術,Bouhamri說:「它可以轉移至AR眼鏡,但導入方式將取決於大家對於波導與反射鏡的反饋。這不僅是性能問題,也牽涉到成本和外形尺寸。」

未來的挑戰

Ceres已經開發了一套基於DSP的LED展示系統,其中就使用了該公司的平面全像光學元件。

IP_HOE, Ceres

數位後製的平面HOE可實現透明顯示。
(來源:Cree)

Ceres的技術可在Bayfol光敏聚合物中產生精確的HOE。Ceres表示,該公司的HOE採用自家的數位設計和後製技術,「為汽車和消費應用提供了新一代的高性能透明顯示器」。

但是,鑑於Ceres計劃分兩個階段開發TD和AR-HUD,該公司預期將面對哪些尚待克服的挑戰?

Travers說:「針對TD,我們的主要OEM告訴我們,將玻璃層壓到擋風玻璃上仍然是唯一的挑戰。而針對AR-HUD,層壓更加困難,而且相對於溫控雷射二極體的照明更是一大障礙。」

而當問及Ceres基於HOE的產品可能在HUD市場遭遇什麼挑戰時,Bouhamri說:「其挑戰在於提供一種解決方案,必須能帶來足夠高的視野、良好的視線,同時又不會佔用過多空間。」他補充說:「Yole認為Ceres可提供原型和展示來證實他們的能力。另一個挑戰可能是市場本身,因為我們知道汽車認證的期限往往很長,而且對於許多參數的要求都很高。」


St. Andrews Cathedral(來源:EE Times)

為什麼選擇St. Andrews?

Ceres公司就隱身在聖安德魯斯(St. Andrews)這個人口僅16,800的小城市,每當聖安德魯斯大學(University of St. Andrews)開學後,人口又幾乎會增加一倍。

Ceres目前雖然與這所大學沒有正式的合作,但Travers說,該公司正在建立區域性生態系統。

Ceres正為研究團隊提供支援HOE系統影像校正的主要軟體,以及可為TD和AR-HUD實現即時內容交付的技術。

Travers解釋說Ceres的目標是圍繞著全像技術建立一個生態系統,這將使Ceres和合作夥伴「提供完整的堆疊」,包括全像薄膜(來自Ceres)、投影機光學元件(來自投影機合作夥伴)、用於基本影像校正的韌體(來自Ceres),以及內容平台(來自Ceres的合作夥伴)。為了打造基於Ceres HOE的HUD產品動能,Travers認為目前需要集結一整個生態系統的努力。

幸運地是,他們正置身於此。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Scottish Startup Hints at Holography Revival,by Junko Yoshida)

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