苏大维格技术创新进入无人区--光场3D显示

引言——苏大维格技术创新进入“无人区”中国科技创新一直以来都是“有人区”复制太多，成本竞争激烈，而“无人区”真正的开拓创新太少。苏大维格上市以来依托完全自主搭建的微纳制造平台，持续不断的通过技术创新进行“无人区”，光学防伪技术用于身份证，打破我国对国外技术依赖，在全球范围内率先实现Metalmesh导电膜量产，创造性的开发了纳米指向性背光膜。公司的微纳制造技术是指精度在微米（1um=10-3毫米）、纳米（1nm=10-3um）级的超细微加工极端制造技术。微纳制造是超材料研发生产的核心技术，超材料具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工设计的微纳结构。图：微纳结构应用领域苏大维格的微纳制造创新平台，占据了全球下一代材料加工、制造创新的制高点，该技术应用范畴众多，平台将产生大量的创新应用、创新产品。公司构建的多元技术壁垒国内其他企业难以跨越，其核心设备自主研发，不受制于国外的装备及零部件，并且技术与国际先进企业处于同一水平。经过近几年的开拓创新，公司目已经在包装材料、公共防伪、导光膜、导电膜等四个领域形成了完整的产业化布局，并且在特种功能膜材料（热烫印膜）、LED纳米图形化衬底、OLED掩膜版、裸眼3D等领域拥储备了完善的技术。公司现凭借NanoCrystal200纳米光刻设备，已经开始布局“超材料”领域的研发，其中基于NanoCrystal200生产的“纳米指向性背光膜”将应用于全息裸眼3D领域，解决百年来3D显示未解的视觉疲劳课题。图：公司技术应用领域1.以超材料为基础的光场裸眼3D1)裸眼3D显示发展现状近年来VR/AR受到业界关注，Google、Facebook、微软等、阿里巴巴等巨头均重兵投入。如果未来有什么技术可以颠覆现有显示形态，改变现有互联网生态，那就是VR/AR技术。3D显示作为AR应用的关键技术，一直以来都受到业界高度关注，国际著名大学和企业不断加大了研发投入，在解决方案、关键材料、光学部件和视觉跟踪技术等方面，取得重要进步。但是裸眼3D显示原理上，100年来，基本没有形成新突破，普遍采用的视障法（parallexbarrier）与视觉跟踪技术、柱面透镜光栅(lenticulargrating)光场成像法，虽工艺改进显著，3D成像效果也非常逼真，但其始终无法解决观察者视觉疲劳的问题。图:AR应用示前景2016年2月2日，Magicleap官方宣布获得由阿里巴巴领投的7.94亿美元融资，加上上轮由谷歌领投的5.42亿美元，2014年年底以来累计获得13.4亿美元投资，总估值约45亿美元。Magicleap之所以受到众多互联网巨头青睐，在于它未来能够实现并普及光场显示技术，这将对裸眼3D景显示技术带来一场实实在在的革命，光场裸眼3D显示能够根本解决观察者视觉疲劳技术难题，因此其获得空前的投资自然是名至实归。2)光场显示技术原理在计算机图形学领域，3D渲染演示技术的演化进程可以大致划分成针孔相机、双目立体视觉、光场、数字全息四个阶段。简而言之，针孔相机演示技术的代表作是早期的动画电影《最终幻想》，双目立体视觉的代表作是3D版的《阿凡达》，光场的代表作就是MagicLeap发布的视频，数字全息技术的代表作是《星球大战》中的场景。图：最终幻想：光线跟踪法渲染，针孔相机显示技术图：3D版的《阿凡达》，双目立体视觉图：MagicLeap，增强现实，光场技术图：星球大战，数字全息技术1)针孔相机传统的光学相机，其理想模型就是针孔相机。在计算机图形学中，传统的渲染方法都是基于这种相机模型。如图7所示，从相机的光心出发，经过成像屏幕的每一个像素，发出一条射线。光学跟踪法（raytracing）用几何光学的物理法则计算这条射线的颜色，即为相应像素的颜色。在这里，我们需要一个概念上的转换，每个像素不是一个点，而是一条射线，这是理解光场的关键！换言之，一张相片就是通过光心的一簇射线。《最终幻想》就是用光学跟踪法来渲染制作的。图：光线跟踪法中的针孔相机模型2)双目立体视觉人类具有两只眼睛，观看物体时两眼各自成像，大脑根据两眼成像的细微差别计算每一点的深度信息，从而得到立体感觉。模仿人眼，我们可以用双镜头相机得到双目立体相片。本质上而言，双目立体视觉相片就是从两个光心出发的两簇射线。3D版《阿凡达》就是以此原理制作的。相对于单目相机，双目立体视觉时间复杂度和空间复杂度加倍。3)光场3D原理在光学领域中，光场是一个古老的概念。在1996年被微软和斯坦福学者引进到计算机图形学领域，发展到2016年的今天，已经整整二十年。虽然在学术界，人们不懈地研究深化，真正在工业界产生影响，还是近几年的事情。MagicLeap应该算是LightField理论在现实应用中的一个巅峰。图：光场（LightField）的魔盒解释我们假设用一个玻璃盒子罩住一只兔子，然后透过玻璃盒子来观察这只兔子。从盒子表面的任意一点，向三维空间的任意一个方向发出一条射线，这条射线的颜色由兔子和光照条件所决定。我们用来表示玻璃盒子，表示单位向量，一条射线表示为,所有射线的集合记为。每条射线对应着一个颜色，我们用三维空间中的一个点来表示。因此，光场就是从射线空间到颜色空间的映射。换言之，光场是定义在射线空间上的矢量值函数：。假设我们去掉了玻璃盒子中的兔子，但是这个玻璃盒子是一个魔盒，光场信息被完美保留。当我们观察这一魔盒的时候，所有经过一只眼睛的射线合成了视网膜上的一幅图像。我们可以自由地改变距离和视角，兔子在视网膜上的图像相应地自然变化，根本觉察不到兔子的消失。因此，有了魔盒，我们不再需要真正的兔子。这个魔盒就是兔子的光场。光场渲染我们可以用兔子的光场来取代兔子，渲染生成各种角度的照片，这样我们无需为建立兔子的几何模型，纹理模型和光照模型。对于大场景，复杂光照条件，或者复杂几何模型（如长绒玩具）等等，光场比实物的数字模型更为简单，或者光场比光线跟踪得到的渲染结果更加逼真，或者更加高效，我们用光场来渲染。这是所谓的基于图像的渲染方法（ImageBasedRendering)。历史上，微软曾经出过一版基于光场的游戏，类似孤岛寻宝，所有场景都是从真实自然中采集，非常逼真，但是最后没有引起任何反响，无疾而终。4)超材料镜片攻克光场采集难题光场是定义在射线空间上的函数，射线空间是4维的，传统的针孔相机只能采集二维射线簇，因此光场采集具有本质的难度。早期光场采集的方法简单粗暴，就是用大规模相机阵列，这种光场相机笨重昂贵，无法普及。随数字相机技术的成熟，针孔相机愈来愈小，可以密集地集成在一起，从而缩小了光场相机的体积。但是镜头的尺寸无法缩减。图：斯坦福制作的阵列相机未来光场采集真正的突破来自于仿生学。许多昆虫都有复眼（CompoundEye）,复眼获取的就是光场信息。人类模仿昆虫，制造了类似复眼的镜头，在一个大镜头上集成了数十个小镜头。图：昆虫复眼图：阵列镜片真正实现光场采集十几个镜头是不够的，我们需要在一个镜头上集成数千个镜头。超材料的发展，将使我们的梦想成为现实，超材料技术可以实现在一张塑料薄膜上集成了数千个微小镜头的设想。目前基于超材料镜片的镜头研发已经在哈佛大学取得实质进展，其在透明石英上放满柱状的氧化钛，高度仅有600纳米，被称为全球“最迷你的巨石阵”。哈佛团队测试发现，超材料镜片的影像比55毫米的显微镜更锐利，厚度却只有传统镜片的十万分之一。苏大维格通过微纳制造技术，通过纳米压印的方式实现了微透镜阵列薄膜的量产，及在一张塑料薄膜上作出成千上万个微透镜阵列。蝇眼即由成千上万个微透镜（Microlens）构成，微透镜与经过设计的微图文相结合，可以实现静态3D显示效果。虽然目前还未有完全仿真昆虫复眼的超材料出现，但随着微纳制造技术应用的进一步深入，相信在不远的未来，我们可以制造出微镜头阵列薄膜。图：显微镜下的微透镜阵列薄膜5)光场显示—MagicLeap核心技术MagicLeap的核心技术是一种特殊的光场显示设备，该设备的核心技术在于其核心部件光子光场芯片，该芯片用于四维光场的产生和调控，基于四维光场所产生的3D图像能够真正实现无视觉疲劳的裸眼3D。光子光场芯片的本质是一个超材料镜片，生产芯片的核心在于需要解决的难点就是四维参量纳米结构设计与制备。图：光子光场芯片图：基于四维光场的裸眼3D效果注：一只鲨鱼凭空从篮球场上跃出。纳米结构设计及制备制我们首先想到的是电子束光刻（e-beamlithography），电子束光刻的结构可达10nm。但是，电子术光刻是一种极慢的纳米写入方法，制备的器件尺寸仅能以毫米计。苏大维格基于超材料研究所研发的NanoCrystal200是为超材料而生的一种先进的纳米结构并行光学写入手段，比电子束光刻至少快400倍以上，NanoCrystal200一天写入的纳米结构，电子束写入需要超过1年。NanoCrystal200攻克了大尺寸纳米结构高精度制备的国际重大难题，这为研究基于全息显示原理的裸眼3D显示，奠定了技术基础。图：NanoCrystal200参数及应用领域6)苏大维格依托自主设备切入光场裸眼3D苏大维格通过国家863计划重大项目资助，经近几年研发，将全息显示与纳米制造技术相结合，通过纳米结构的光场成像原理、纳米光刻、纳米压印和侧向导光技术，研制成功“多视点指向性背光源的纳米导光板”。苏大维格将纳米导光板将应用于四维光场3D显示设备研发，该设备将从根源消除3D视觉疲劳。图：苏大维格全息裸眼3D显示原理随着巨头的重金投入Magicleap有望引领光场显示技术趋势,成为AR显示终极方案。苏大维格拥有NanoCrystal200自主知识产权装备，另外公司技术团队在全息领域有大量技术储备，其中光场显示技术国内领先（董事长陈林森曾担任了十年的中国全息光学实验室主任）。目前公司全息裸眼3D设备已经完成黑白设备研发，正在做彩色样机的研发，并就核心技术申请了多个发明专利。虽然裸眼3D短期不能为苏大维格带来经济效益，但是苏大维格强大的技术研发能力及现有装备优势，未来有望发展为全息裸眼3D领域的一匹黑马，现在说苏大维格是中国的Magicleap并不为过。表：苏大维格全息裸眼3D先关专利专利申请号专利名称201510622025X一种量子点激光器指向型背光模组及裸眼3D显示装置2014108522423一种多视角像素指向型背光模组及裸眼3D3D2015107780865指向性彩色滤光片和裸眼3D显示装置2015109697237一种裸眼3D激光显示装置2016100341058一种投影式裸眼3D显示装置及其彩色化显示装置2016102392656一种裸眼3D显示装置及实现裸眼3D显示的方法苏大维格是国内的顶尖的光场显示研发团队，其顶尖来自于基础设备自主研发，这是公司能够在无人区创新的先决条件，相信假以时日，公司光场显示技术将全球领先。就像苏大维格导电膜研发一样，其研发过程中也受到过众多质疑，但是几年时间过去，我们不可思议的发现，苏大维格仅用了1亿不到资金，完成了产品量产，并建立了生产线。而其中不乏几亿几十亿资金投入的业内大佬打了水漂，苏大维格研发能力是依托自主核心设备，因此其能根据研发需要快速响应需求，公司进入超材料领域也是基于自主研发的核心设备NanoCrystal200。全息裸眼3D必将成为下一个改变世界的技术，苏大维格光场3D技术蕴含巨大商业价值，一旦公司样机成功推出市场，公司必将和magicleap一样获得众多巨头的资金投入。公司目前正与国内大型企业就光场3D展开紧密合作，预计设备研发完成后将与大知名企业一起推进，产品一旦商业化，发展前景无可限量。附件:超材料简介超材料（metamaterial）是一种特种复合材料或结构，通过对材料关键物理尺寸进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。在宏观物理世界，当一束光从空气斜射入水中，入射光与折射光应该在法线两侧。那么，是否存在这样一种介质，当光入射其中，入射光与折射光位居法线同侧？1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现，介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质