“全息投影”(Holography)強勢回歸！但它不再是以我們熟悉的科幻電影形式出現(xiàn)——例如《星際大戰(zhàn)》(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，它將用于下一代車輛中的商業(yè)抬頭顯示器(HUD)，為駕駛?cè)撕统丝吞峁?dǎo)航等輔助功能。
TD-HUD（來源：Ceres）
成立于2009年的蘇格蘭新創(chuàng)公司Ceres Holographics開發(fā)了一種數(shù)字后期制作(digital mastering)技術(shù)，并聲稱搭配其全息光學(xué)組件(Holographic Optical Elements；HOE)，可望成為汽車OEM和Tier-1實現(xiàn)1980年代以來夢寐以求的HUD設(shè)計關(guān)鍵。汽車產(chǎn)業(yè)一直渴望開發(fā)出一種透明顯示器，能夠在車子的擋風(fēng)玻璃上顯示導(dǎo)航信息，以避免駕駛?cè)嗽陂_車時分散視線。
由于這種全息技術(shù)使用的投影封裝尺寸比以往所開發(fā)的明顯更小許多，Ceres有信心它能夠?qū)⒚髁劣謱拸V的視野信息迭加在曲面的擋風(fēng)玻璃上。
多年來，汽車制造商嘗試過各種技術(shù)以產(chǎn)生屏幕影像，從CRT和LED到使用光波導(dǎo)的“合成器”。但是，Ceres首席技術(shù)官Andy Travers告訴《EE Times》，至今還沒有哪一種方法真正起飛。他說：“傳統(tǒng)技術(shù)需要的投影封裝太大，而無法嵌入于儀表板中。”
AR-HUD（來源：Ceres）
Ceres打算分兩階段將其HOE技術(shù)推廣到兩種不同的產(chǎn)品應(yīng)用。首先是基于簡單投影機的“透明顯示”(Transparent Display；TD)；其次則將會是支持先進投影機的“增強現(xiàn)實”抬頭顯示(AR-HUD)應(yīng)用。對于這兩種產(chǎn)品，Travers告訴《EE Times》，已經(jīng)有OEM和Tier-1廠商對其技術(shù)進行測試中，其中有些已在最終測試階段了。Travers預(yù)計采用TD技術(shù)的車型將在2022或2023年開始生產(chǎn)，而在那之后的一年則將投產(chǎn)搭載AR-HUD技術(shù)的車輛。
全息投影如何運作？
全息投影(hologram)技術(shù)本質(zhì)上是實體記錄由兩束光線產(chǎn)生的干涉圖樣。Ceres首席技術(shù)官Travers認為它“有點像攝影技術(shù)”。
手持全息薄膜的Andy Travers將全息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，全息投影可重建3D光場，而非傳統(tǒng)攝影中以2D影像呈現(xiàn)所捕捉到的對象。
在攝影時需要使用鏡頭來記錄影像。但在全息投影光線的操縱中并非如此。物體所發(fā)出的光線直接散射到記錄介質(zhì)上。
Travers指出，全息投影的另一個重要方面是其“實際捕捉光作用”的能力。他說：“您可以制作一個鏡頭或鏡像的全息投影，然后基本上就可以在非常薄的全息薄膜上捕捉該光學(xué)功能。”
這是Ceres賦予其全息光學(xué)組件的功能。該公司開發(fā)了一種方法來捕捉光學(xué)功能，再以數(shù)字后制到全息薄膜上。
為什么花了這么長的時間？
該技術(shù)由匈牙利裔的英國EE和物理學(xué)家Dennis Gabor于1947年發(fā)明，他還曾經(jīng)獲得1971年諾貝爾物理學(xué)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(tài)度。畢竟，全息投影技術(shù)已經(jīng)存在將近四分之三個世紀了，但尚未找到大量應(yīng)用。
然而，全息投影已用于戰(zhàn)斗機的HUD中，例如，放置瞄準武器系統(tǒng)的可視框架。 Travers指出，其缺點之一在于HOE中的材料使用了重鉻酸鹽明膠。“這是一種有毒物質(zhì)，你可不能將這種材料用于大量的消費電子產(chǎn)品中。”
在全息投影創(chuàng)新方面，Ceres之所以不同于競爭對手之處有二。首先是其多年在優(yōu)化無毒全息薄膜材料方面的經(jīng)驗，其次則是Ceres在數(shù)字后制打印技術(shù)方面的創(chuàng)新。
材料創(chuàng)新
讓我們從全像薄膜材料開始談起。
Ceres開發(fā)的許多HOE都利用了最初由InPhase Technologies開發(fā)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，致力于開發(fā)全息投影數(shù)據(jù)儲存解決方案。
Ian Redmond
InPhase的光敏聚合物化學(xué)被德國公司Bayer Material Science (現(xiàn)稱為Covestro)收購，Covestro生產(chǎn)的材料稱為Bayfol HX。Ceres/Bayfol HX之間的橋梁是Ceres創(chuàng)辦人兼CTO Ian Redmond。Ian Redmond曾經(jīng)在InPhase工作了幾年，主導(dǎo)全息攝影的開發(fā)工作，并累積了對于高性能光敏聚合物介質(zhì)的深刻了解。
據(jù)Yole Développement技術(shù)與市場分析師Zine Bouhamri觀察，由于各種競爭技術(shù)不斷出現(xiàn)，InPhase后來發(fā)展出數(shù)據(jù)導(dǎo)向架構(gòu)(DOA)的數(shù)據(jù)儲存應(yīng)用。
但是Redmond在InPhase學(xué)到的基礎(chǔ)技術(shù)成為后來他從美國回到蘇格蘭創(chuàng)辦Ceres的基礎(chǔ)。
Bouhamri指出，Ceres“對于這項技術(shù)有著非常深刻的認識和理解，有助于其開發(fā)產(chǎn)品。更具體地說，他們似乎已經(jīng)開始為商業(yè)應(yīng)用開發(fā)全息投影材料了。在一個技術(shù)實力決定成敗的新興領(lǐng)域，這代表他們擁有很高的優(yōu)勢。”
數(shù)字后制技術(shù)創(chuàng)新
除了全息薄膜材料，Ceres還發(fā)明數(shù)字后制打印技術(shù)，從而使其脫穎而出。
Bouhamri說：“我們相信[Ceres]是目前唯一使用數(shù)字方式復(fù)制全息投影而進行生產(chǎn)的，而且他們也自行制造設(shè)備。這可能讓他們比競爭對手更具優(yōu)勢。”
那么，什么是“數(shù)字后制”(digital mastering)？Ceres稱此過程為“后期制作”(mastering)，因為它有點像是錄音。在錄音時，樂器或聲帶產(chǎn)生的振動會被加以編碼，以便日后可在無需原始振動源的情況下重制。全息技術(shù)也是一種能夠記錄光場且可在隨后沒有原始光場的情況下進行重建。
在開發(fā)數(shù)字控制的后制過程中，Ceres為其基于Bayfol HX光敏聚合物的全息打印機進行了優(yōu)化，Ceres自2009年起開始使用，并對其進行表征和優(yōu)化。
Ceres的數(shù)字后制打印機可以產(chǎn)生大幅的全息投影，其中由許多250mm2的全息投影“畫素”組成。Travers提醒說，和電視畫素不同的是，這里的每個畫素都是“可編程的”，以便可在RGB中產(chǎn)生任意光場。同樣地，參考光束的角度也是可編程的。透過此后制過程，Ceres可以數(shù)字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，全息投影不再是一種難以捉摸的技術(shù)。他說，過去幾年已經(jīng)建立了“一條足以讓人可大量制造的道路”。
Bouhamri指出，“大規(guī)模制造能力”正是全息投影技術(shù)用于AR和HUD的主要問題。但是，由于“全息領(lǐng)域業(yè)界長期不懈地努力”，他預(yù)期全息元素很快就能設(shè)計成幾種商用化產(chǎn)品。
Apple浮出臺面…
就在全息技術(shù)風(fēng)潮于2018年開始回歸之際，蘋果(Apple)收購了美國全息數(shù)據(jù)儲存新公司Akonia Holographics，這家公司是由原本留在InPhase的人于2012年成立的。
正如Bouhamri所指出的，當(dāng)Apple收購Akonia時，“這是Apple進軍AR硬件的第一個跡象。”而光是這一點就具有新聞價值。他補充說，但這也“為AR中使用全息材料帶來了希望。”
這意味著透過進一步擴展，Ceres (其技術(shù)也源于InPhase)可以吸引投資者和媒體的關(guān)注。
至于IP呢？Akonia和Ceres的IP可能交叉授權(quán)嗎？
據(jù)Travers解釋，Akonia將擁有InPhase開發(fā)的所有數(shù)據(jù)儲存技術(shù)，以及光聚合物化學(xué)專利以及使用這些專利的權(quán)利。“但是我確信這并不至于限制Bayer/Covestro改善其薄膜材料”。
由于Akonia的業(yè)務(wù)歸根究底就是在制造眼鏡HOE，因此Travers猜測Apple收購的是Akonia的“類全息光學(xué)組件專業(yè)知識“。他補充說：“我很確定他們并未(如同Ceres一樣地)打造數(shù)字打印機”，但是“如果他們愿意的話還是做得到。”
換句話說，Ceres仍擁有開發(fā)其產(chǎn)品所需的所有IP，而不至于侵犯Akonia/Apple擁有的IP。Ceres認為其公司優(yōu)勢仍然在于其數(shù)字打印機。
而Ceres是否有機會善加利用其數(shù)字打印機，開發(fā)用于AR眼鏡的HOE？
Travers說：“我們可以透過數(shù)字后制眼鏡用HOE鏡片/鏡像。”他認為，數(shù)字后制技術(shù)將比模擬錄制技術(shù)更優(yōu)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(tǒng)大咖“投入開發(fā)和制造基于奈米壓印微影的不同技術(shù)之際，Apple進入AR硬件領(lǐng)域的意義就更重大了。Bouhamri觀察到，如今，表面蝕刻光閘與全像組件之間存在競爭。而Apple和Ceres都屬于全息元素領(lǐng)域。
但即使是在全息技術(shù)領(lǐng)域也存在選擇。他說：“我們(Yole)看到有的采用波導(dǎo)(Digilens)，而其他還有是在透鏡上帶有簡單的反射器(Bosch)。但業(yè)界預(yù)計波導(dǎo)將占據(jù)主導(dǎo)地位。”
至于Ceres的技術(shù)，Bouhamri說：“它可以轉(zhuǎn)移至AR眼鏡，但導(dǎo)入方式將取決于大家對于波導(dǎo)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(zhàn)
Ceres已經(jīng)開發(fā)了一套基于DSP的LED展示系統(tǒng)，其中就使用了該公司的平面全息光學(xué)組件。
數(shù)字后制的平面HOE可實現(xiàn)透明顯示。
（來源：Cree）
Ceres的技術(shù)可在Bayfol光敏聚合物中產(chǎn)生精確的HOE。Ceres表示，該公司的HOE采用自家的數(shù)字設(shè)計和后制技術(shù)，“為汽車和消費應(yīng)用提供了新一代的高性能透明顯示器”。
但是，鑒于Ceres計劃分兩個階段開發(fā)TD和AR-HUD，該公司預(yù)期將面對哪些尚待克服的挑戰(zhàn)？
Travers說：“針對TD，我們的主要OEM告訴我們，將玻璃層壓到擋風(fēng)玻璃上仍然是唯一的挑戰(zhàn)。而針對AR-HUD，層壓更加困難，而且相對于溫控雷射二極管的照明更是一大障礙。”
而當(dāng)問及Ceres基于HOE的產(chǎn)品可能在HUD市場遭遇什么挑戰(zhàn)時，Bouhamri說：“其挑戰(zhàn)在于提供一種解決方案，必須能帶來足夠高的視野、良好的視線，同時又不會占用過多空間。”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(zhàn)可能是市場本身，因為我們知道汽車認證的期限往往很長，而且對于許多參數(shù)的要求都很高。”
St. Andrews Cathedral（來源：EE Times）
為什么選擇St. Andrews？
Ceres公司就隱身在圣安德魯斯(St. Andrews)這個人口僅16,800的小城市，每當(dāng)圣安德魯斯大學(xué)(University of St. Andrews)開學(xué)后，人口又幾乎會增加一倍。
Ceres目前雖然與這所大學(xué)沒有正式的合作，但Travers說，該公司正在建立區(qū)域性生態(tài)系統(tǒng)。
Ceres正為研究團隊提供支持HOE系統(tǒng)影像校正的主要軟件，以及可為TD和AR-HUD實現(xiàn)實時內(nèi)容交付的技術(shù)。
Travers解釋說Ceres的目標是圍繞著全息技術(shù)建立一個生態(tài)系統(tǒng)，這將使Ceres和合作伙伴“提供完整的堆棧”，包括全息薄膜(來自Ceres)、投影機光學(xué)組件(來自投影機合作伙伴)、用于基本影像校正的韌體(來自Ceres)，以及內(nèi)容平臺(來自Ceres的合作伙伴)。為了打造基于Ceres HOE的HUD產(chǎn)品動能，Travers認為目前需要集結(jié)一整個生態(tài)系統(tǒng)的努力。
幸運地是，他們正置身于此。
編譯：Susan Hong 責(zé)編：Yvonne Geng
(參考原文：Scottish Startup Hints at Holography Revival，by Junko Yoshida)
