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Karl Guttag:论相机对焦技术在AR/VR中的沿用

近期,AR/VR光学专家Karl Guttag介绍了两家在CES 2023展出光学传感技术的公司:poLight和CML(剑桥机电一体化)。​同时介绍两家公司的原因,是因为他们提供了实现AR/VR“光学微动”(Optics Micromovement)的两种不同方案。其中,CML通过SMA来驱动光学元件和设备(包括体感元件),而poLight则是使用压电驱动器将薄玻璃弯曲,并集成到柔性光学聚合物上。

据了解,poLight的压电MEMS自动对焦模块TLens,似乎已用于Magic Leap 2头显的1300万像素相机中。半导体、光电咨询公司Yole Group CEO指出,poLight提供了AR/VR头显的关键技术,它将为新一批AR/VR头显产品提供强大的附加值。接着我们就先分别来了解一下这两家公司的具体业务。

关于CML

Cambridge Mechatronics Limited(缩写为CML,中文名剑桥机电一体化),成立于1995年,该公司专注研发精密移动解决方案,可应用于智能手机、AR/VR、穿戴设备、无人机等领域。值得注意的是,该公司开发了一款基于形状记忆合金(SMA)马达的微型电机,特点是高精度、高强度、紧凑且轻巧。可用来开发各种电子产品,比如自动对焦相机、触觉反馈技术、面部识别、AR、3D传感。

其技术常见于一些手机的摄像头中(比如华为、魅族),特点是支持OIS(光学防抖)和自动对焦功能,此外还可以开发成屏下摄像头。

关于poLight

该公司研发了基于压电MEMS的可调光学方案:TLens,该方案的特点是可模拟人眼成像原理,可为摄像头带来即时自动对焦、全景对焦、恒定视场角选项等功能。据称,Tlens可用在手机的前置摄像头中,自拍效果比基于音圈电机(VCM)自动对焦技术更好(速度更快、功耗更低、体积更小)。此外,Tlens也可以用作AR眼镜的传感器,或是用于智能手机等穿戴设备中。

poLight面向的应用场景包括智能手机、可穿戴、工业、AR、医疗内窥镜、摄像头。

什么是“光学微动”

​Guttag描述的“光学微动”(Optics Micromovement)主要是AR/VR光学元件的微型驱动装置,这种装置有多种用途,除了摄像头的自动对焦、光学防抖外,还可实现以下几种功能:

1)通过移动显示模组或光学元件来提高有效分辨率(超分辨率);

2)动态焦距调节,包括缓解VAC问题;

3)对于VST相机,调节摄像头焦点,与人眼焦点匹配;

4)对于SLAM相机,如果相机旋转,可覆盖更大区域并提高精度;

5)MicroLED像素位移技术,或用于平均像素亮度,缓解坏点或弱点像素;单色像素转移至全色像素(类似Porotech),以及像素切换时可能的更高分辨率优势。

值得注意的是,Meta Reality Labs也在研发AR/VR动态调焦技术,采用的是液晶透镜方案。市面上也有多家提供可调焦液晶透镜的公司,比如FlexEnable、DeepOptics等等。

在AR/VR中的应用

此前,poLight和CML技术的一大应用场景是手机,主要用于手机摄像头的自动对焦和光学防抖功能。此外,基于poLight和CML技术打造的摄像头也可以用于AR/VR头显。比如,poLight的TLens方案就已应用于ML2头显和夏普VR头显原型(曾在CES 2023上展示)。

​除了相机外,这两家公司的技术还可以用于AR/VR的其他领域,接下来我们从它们的原理来分别分析。

CML技术原理

CML的业务是为客户定制基于SMA材质的微型组件,这些组件可用于驱动光学元件或物体。据称,单根SMA金属丝的尺寸细如发丝,可实现精细的控制(光波长等级),以及足够大的拉力,可开发出微型尺寸的电子设备。

在通电后,SMA细丝会受热收缩,而它的收缩和松弛动作,会触发旁边的弹簧结构而引起电子元件运动。若将多根SMA细丝组成各种不同的结构,还能实现更复杂的运动。除此之外,SMA线材的另一个特点是在受热收缩时,线材也会变短变粗,从而减少电阻力。因此,CML将这种电阻变化特性,作为闭环控制的反馈信息。

在一个案例中,CML将4组SMA驱动固定在传感器的底座上,这些细丝驱动可在水平、垂直方向上运动,还可以旋转,因此能够微调传感器的位置,实现运动校正。这种方案的优势在于,速度快、可细致调节、结构非常轻薄。

此外,如果将8组SMA细丝放置在底座四边(每条边有两个交叉的细丝),那么便可以在X、Y、Z三个轴运动,或做出俯仰角(围绕X轴旋转)、偏航角(围绕Y轴旋转)等动作。而结合不同的细线结构、弹簧、杠杆和棘轮机制,还可以实现更多种不同的运动。

右图:5轴方案支持翻滚角运动(围绕Z轴旋转)

值得注意的是,CML为了节省SMA元件的功耗,还研发了一种名为“零保持功率”的技术,这项技术的特点是仅在需要移动光学元件时供电,未来在AR头显中比较有用,比如可根据光学元件的温度来实现动态变焦。

除此之外,目前该SMA方案还需要解决有效载荷量和响应速度的问题。CML预计,在连续的像素移动时,其方案在接入大约20mA的电流时,电压低于3.2V。

poLight原理

poLight的TLens方案采用玻璃和聚合物薄膜,具体原理是使用压电致动器,将玻璃膜弯曲,并与高透光、折射率匹配的聚合物薄膜集成。这种弯曲过程改变了透镜的焦点,尽可能模拟人眼对焦的方式。简单来讲,该方案由一层可变形玻璃膜、一层透镜背板组成,二者之间为光学级别的柔性聚合物,在玻璃膜和背板两头,各有一个驱动器,用于调节玻璃膜的弯曲度(改变焦点),以及背板的倾斜角度(用于移动OIS图像)。这样一来,便可模拟人眼动态聚焦的效果。

除了单独使用外,TLens还可以和其他光学元件结合使用,来实现OIS和自动对焦。poLight还指出,通过倾斜平面背板透镜,可从光学上移动像素,从而为MicroLED带来超分辨率效果(像素位移)。

不过,poLight的驱动器需要高达50V电压,但高电压意味着高功耗,需要的组件也更多。因此,该公司推出了一个配套的ASIC驱动(型号为PD50),其内置降EMI功能,可最大限度减少外部组件(因为只需要外部电容负载),并且将功率/电流消耗保持在非常低的水平。也就是说,TLens方案的总功率小于6mW,光学设备部分几乎不耗电,主要耗电转移到了ASIC驱动上。

poLight表示:TLens的透光度约94%,其前部光圈的直径只有2毫米多,虽然对小型传感器(比如智能手机相机)来讲足够大,但应用在AR/VR时,光圈大小和光学变化量依然受到限制。

总结

Guttag认为,未来AR/VR头显需要动态移动的光学元件,至少要实现摄像头自动对焦、显示模组动态变焦等等。总之,可移动/可改变的光学元件将在AR/VR系统中有很多用途。对比poLight方案,CML的方案适合的移动范围和类型更广泛,甚至可支持VR动态变焦所用到的大透镜,而poLight似乎在体积上更具优势,适用于小型相机等元件。参考:KarlGuttag

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