全息投影强势回归，加速AR-HUD导航上路

“全息投影”(Holography)强势回归！但它不再是以我们熟悉的科幻电影形式出现——例如《星际大战》(Star War)系列电影中，莉亚公主(Princess Leia)利用投影向R2-D2求救。这一次，它将用于下一代车辆中的商业抬头显示器(HUD)，为驾驶人和乘客提供导航等辅助功能。

TD-HUD（来源：Ceres）

成立于2009年的苏格兰新创公司Ceres Holographics开发了一种数字后期制作(digital mastering)技术，并声称搭配其全息光学组件(Holographic Optical Elements；HOE)，可望成为汽车OEM和Tier-1实现1980年代以来梦寐以求的HUD设计关键。汽车产业一直渴望开发出一种透明显示器，能够在车子的挡风玻璃上显示导航信息，以避免驾驶人在开车时分散视线。

由于这种全息技术使用的投影封装尺寸比以往所开发的明显更小许多，Ceres有信心它能够将明亮又宽广的视野信息迭加在曲面的挡风玻璃上。

多年来，汽车制造商尝试过各种技术以产生屏幕影像，从CRT和LED到使用光波导的“合成器”。但是，Ceres首席技术官Andy Travers告诉《EE Times》，至今还没有哪一种方法真正起飞。他说：“传统技术需要的投影封装太大，而无法嵌入于仪表板中。”

AR-HUD（来源：Ceres）

Ceres打算分两阶段将其HOE技术推广到两种不同的产品应用。首先是基于简单投影机的“透明显示”(Transparent Display；TD)；其次则将会是支持先进投影机的“增强现实”抬头显示(AR-HUD)应用。对于这两种产品，Travers告诉《EE Times》，已经有OEM和Tier-1厂商对其技术进行测试中，其中有些已在最终测试阶段了。Travers预计采用TD技术的车型将在2022或2023年开始生产，而在那之后的一年则将投产搭载AR-HUD技术的车辆。

全息投影如何运作？

全息投影(hologram)技术本质上是实体记录由两束光线产生的干涉图样。Ceres首席技术官Travers认为它“有点像摄影技术”。

手持全息薄膜的Andy Travers将全息图解读为一种干涉图样，它使用绕射来重建3D光场。
（来源：EE Times）

然而，全息投影可重建3D光场，而非传统摄影中以2D影像呈现所捕捉到的对象。

在摄影时需要使用镜头来记录影像。但在全息投影光线的操纵中并非如此。物体所发出的光线直接散射到记录介质上。

Travers指出，全息投影的另一个重要方面是其“实际捕捉光作用”的能力。他说：“您可以制作一个镜头或镜像的全息投影，然后基本上就可以在非常薄的全息薄膜上捕捉该光学功能。”

这是Ceres赋予其全息光学组件的功能。该公司开发了一种方法来捕捉光学功能，再以数字后制到全息薄膜上。

为什么花了这么长的时间？

该技术由匈牙利裔的英国EE和物理学家Dennis Gabor于1947年发明，他还曾经获得1971年诺贝尔物理学奖(Nobel Prize)。许多工程师可能会对Ceres的主张是否能成功持怀疑态度。毕竟，全息投影技术已经存在将近四分之三个世纪了，但尚未找到大量应用。

然而，全息投影已用于战斗机的HUD中，例如，放置瞄准武器系统的可视框架。 Travers指出，其缺点之一在于HOE中的材料使用了重铬酸盐明胶。“这是一种有毒物质，你可不能将这种材料用于大量的消费电子产品中。”

在全息投影创新方面，Ceres之所以不同于竞争对手之处有二。首先是其多年在优化无毒全息薄膜材料方面的经验，其次则是Ceres在数字后制打印技术方面的创新。

材料创新

让我们从全像薄膜材料开始谈起。

Ceres开发的许多HOE都利用了最初由InPhase Technologies开发的新型无毒光敏聚合物薄膜材料。InPhase Technologies在2000年从Bell Labs分拆而出，致力于开发全息投影数据储存解决方案。

Ian Redmond

InPhase的光敏聚合物化学被德国公司Bayer Material Science (现称为Covestro)收购，Covestro生产的材料称为Bayfol HX。Ceres/Bayfol HX之间的桥梁是Ceres创办人兼CTO Ian Redmond。Ian Redmond曾经在InPhase工作了几年，主导全息摄影的开发工作，并累积了对于高性能光敏聚合物介质的深刻了解。

据Yole Développement技术与市场分析师Zine Bouhamri观察，由于各种竞争技术不断出现，InPhase后来发展出数据导向架构(DOA)的数据储存应用。

但是Redmond在InPhase学到的基础技术成为后来他从美国回到苏格兰创办Ceres的基础。

Bouhamri指出，Ceres“对于这项技术有着非常深刻的认识和理解，有助于其开发产品。更具体地说，他们似乎已经开始为商业应用开发全息投影材料了。在一个技术实力决定成败的新兴领域，这代表他们拥有很高的优势。”

数字后制技术创新

除了全息薄膜材料，Ceres还发明数字后制打印技术，从而使其脱颖而出。

Bouhamri说：“我们相信[Ceres]是目前唯一使用数字方式复制全息投影而进行生产的，而且他们也自行制造设备。这可能让他们比竞争对手更具优势。”

那么，什么是“数字后制”(digital mastering)？Ceres称此过程为“后期制作”(mastering)，因为它有点像是录音。在录音时，乐器或声带产生的振动会被加以编码，以便日后可在无需原始振动源的情况下重制。全息技术也是一种能够记录光场且可在随后没有原始光场的情况下进行重建。

在开发数字控制的后制过程中，Ceres为其基于Bayfol HX光敏聚合物的全息打印机进行了优化，Ceres自2009年起开始使用，并对其进行表征和优化。

Ceres的数字后制打印机可以产生大幅的全息投影，其中由许多250mm2的全息投影“画素”组成。Travers提醒说，和电视画素不同的是，这里的每个画素都是“可编程的”，以便可在RGB中产生任意光场。同样地，参考光束的角度也是可编程的。透过此后制过程，Ceres可以数字化指定和编程任意光功能(例如不同类型的镜像和透镜)，使其成为软性薄膜。

有了这些进步，Bouhamri认为，全息投影不再是一种难以捉摸的技术。他说，过去几年已经建立了“一条足以让人可大量制造的道路”。

Bouhamri指出，“大规模制造能力”正是全息投影技术用于AR和HUD的主要问题。但是，由于“全息领域业界长期不懈地努力”，他预期全息元素很快就能设计成几种商用化产品。

Apple浮出台面…

就在全息技术风潮于2018年开始回归之际，苹果(Apple)收购了美国全息数据储存新公司Akonia Holographics，这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，当Apple收购Akonia时，“这是Apple进军AR硬件的第一个迹象。”而光是这一点就具有新闻价值。他补充说，但这也“为AR中使用全息材料带来了希望。”

这意味着透过进一步扩展，Ceres (其技术也源于InPhase)可以吸引投资者和媒体的关注。

至于IP呢？Akonia和Ceres的IP可能交叉授权吗？

据Travers解释，Akonia将拥有InPhase开发的所有数据储存技术，以及光聚合物化学专利以及使用这些专利的权利。“但是我确信这并不至于限制Bayer/Covestro改善其薄膜材料”。

由于Akonia的业务归根究底就是在制造眼镜HOE，因此Travers猜测Apple收购的是Akonia的“类全息光学组件专业知识“。他补充说：“我很确定他们并未(如同Ceres一样地)打造数字打印机”，但是“如果他们愿意的话还是做得到。”

换句话说，Ceres仍拥有开发其产品所需的所有IP，而不至于侵犯Akonia/Apple拥有的IP。Ceres认为其公司优势仍然在于其数字打印机。

而Ceres是否有机会善加利用其数字打印机，开发用于AR眼镜的HOE？

Travers说：“我们可以透过数字后制眼镜用HOE镜片/镜像。”他认为，数字后制技术将比模拟录制技术更优越且更具有可重建性。

同时，Bouhamri建议要谨慎行事，因为目前针对消费AR眼镜的市场还不存在。然而，在微软(Microsoft)或Magic Leap等”传统大咖“投入开发和制造基于奈米压印微影的不同技术之际，Apple进入AR硬件领域的意义就更重大了。Bouhamri观察到，如今，表面蚀刻光闸与全像组件之间存在竞争。而Apple和Ceres都属于全息元素领域。

但即使是在全息技术领域也存在选择。他说：“我们(Yole)看到有的采用波导(Digilens)，而其他还有是在透镜上带有简单的反射器(Bosch)。但业界预计波导将占据主导地位。”

至于Ceres的技术，Bouhamri说：“它可以转移至AR眼镜，但导入方式将取决于大家对于波导与反射镜的反馈。这不仅是性能问题，也牵涉到成本和外形尺寸。”

未来的挑战

Ceres已经开发了一套基于DSP的LED展示系统，其中就使用了该公司的平面全息光学组件。

数字后制的平面HOE可实现透明显示。
（来源：Cree）

Ceres的技术可在Bayfol光敏聚合物中产生精确的HOE。Ceres表示，该公司的HOE采用自家的数字设计和后制技术，“为汽车和消费应用提供了新一代的高性能透明显示器”。

但是，鉴于Ceres计划分两个阶段开发TD和AR-HUD，该公司预期将面对哪些尚待克服的挑战？

Travers说：“针对TD，我们的主要OEM告诉我们，将玻璃层压到挡风玻璃上仍然是唯一的挑战。而针对AR-HUD，层压更加困难，而且相对于温控雷射二极管的照明更是一大障碍。”

而当问及Ceres基于HOE的产品可能在HUD市场遭遇什么挑战时，Bouhamri说：“其挑战在于提供一种解决方案，必须能带来足够高的视野、良好的视线，同时又不会占用过多空间。”他补充说：“Yole认为Ceres可提供原型和展示来证实他们的能力。另一个挑战可能是市场本身，因为我们知道汽车认证的期限往往很长，而且对于许多参数的要求都很高。”

St. Andrews Cathedral（来源：EE Times）

为什么选择St. Andrews？

Ceres公司就隐身在圣安德鲁斯(St. Andrews)这个人口仅16,800的小城市，每当圣安德鲁斯大学(University of St. Andrews)开学后，人口又几乎会增加一倍。

Ceres目前虽然与这所大学没有正式的合作，但Travers说，该公司正在建立区域性生态系统。

Ceres正为研究团队提供支持HOE系统影像校正的主要软件，以及可为TD和AR-HUD实现实时内容交付的技术。

Travers解释说Ceres的目标是围绕着全息技术建立一个生态系统，这将使Ceres和合作伙伴“提供完整的堆栈”，包括全息薄膜(来自Ceres)、投影机光学组件(来自投影机合作伙伴)、用于基本影像校正的韧体(来自Ceres)，以及内容平台(来自Ceres的合作伙伴)。为了打造基于Ceres HOE的HUD产品动能，Travers认为目前需要集结一整个生态系统的努力。

幸运地是，他们正置身于此。

编译：Susan Hong   责编：Yvonne Geng

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