在今年CES上，加拿大材料和光學公司Meta Materials展示了具有突破性的調光技術。光學專家Karl Guttag指出，電子變色調光技術是CES 2023上展示的最重要的新型AR/VR技術之一，這是一種非偏振調光技術。
為什麼說它重要呢？Guttag認為，在不久的將來，調光功能將為AR/VR等應用場景帶來關鍵影響，尤其是在戶外場景，背景調暗可以增強AR的對比度和清晰度。
關於Meta Materials
這家公司成立於2007年，主要專注於研發超材料，以及基於無線電、可見光、紅外線等電磁波技術的微型模組。除此之外，也在探索超材料在AR/VR領域的應用。
在AWE 2022上，Meta Materials曾公布AR透鏡定製工藝：ARFusion，宣稱可通過精準澆鑄，為光學模組集成屈光度調節，並加入超材料薄膜。優勢是嵌入濾光器，從而減少漏光現象。此外，還支持電控變色的調光功能，更加省電。Guttag認為，ARFusion很可能會成為Luxexcel（Meta旗下）的競爭對手。
電控變色調光技術
據了解，Meta Materials的調光技術基於PPG（在去年5月達成合作）生產的電致變色凝膠、ARFusion光學模組和超材料薄膜，可控制光的強度、增強光響應。實際上，波音787的智能變色窗也是採用PPG的電致變色凝膠。
在CES 2023期間，他們將電控調光技術應用在微波爐上進行展示，效果相當驚艷，如上圖令人印象深刻。我們知道，微波爐的門窗通常比較暗，不太透光，這是因為上面有一層金屬網，網的孔徑經過特殊設計，目的是阻擋微波離開微波爐，對周圍產生輻射。因為光同時具有電磁波和粒子的特性，微波爐上的金屬網正是用來隔絕微波的粒子。
而這台微波爐的透視窗就像一塊普通玻璃，透過率非常高，你可以看清楚裡面食物的加熱過程。該技術在CES 2023上一經亮相，就在社交平台上獲得了大量關注。
細節方面，Meta Materials的微波爐門採用了超材料結構，可反射微波，同時也可以讓可見光波通過。而類似的技術也可以用來隱藏電磁波，比如與窗戶結合，防止電子竊聽。結合不同的超材料薄膜，甚至還能讓窗戶將無線電波匯集在建築物中。此外，Meta還展示了一種在眼鏡片中集成透光天線的方案。
超材料的其他用途還包括：戶外攝影機、汽車前照燈、汽車尾燈、紅綠燈所使用的透光加熱元件。值得注意的是，Meta Materials的超材料可調成不同波長的電磁波，宣稱比基於細線和ITO電極陣列的方案更有優勢。
非偏振調光為何重要
Guttag指出，通常眼鏡使用兩種方法來調光，一種是光控變色，另一種是電控變色。其中，光致變色常見於感光變色鏡片中，比如一些看起來普通的眼鏡在強光下會變暗，起到墨鏡的效果。它的缺點是基於定製，過渡的顏色和程度是固定的，而且變色的速度慢，變暗大約需要30秒到1分鐘，變透光大約需要2到3分鐘。
而電控變色調光，常見的方案是使用液晶來控制偏振光，比如具有快門功能的LCD（單個大像素），或是分段調光方案。這些方案需要先將光線偏振，但這將會阻擋50%以上的入射光，所以基於偏振的電控變色調光模組透光度通常低於50%。
而控制調光的部分，則可基於環境光傳感器，或是AR/MR系統。
Magic Leap 2就是採用偏振液晶調光模組，而在AR眼鏡中採用基於液晶模組來控制外部環境光線是比較普遍的功能，它有一個專有名詞「soft-edge occlusion」，直譯過來就是「柔邊像素調光」。然而Guttag認為，ML2的這種調光方式效果理想，犧牲了至少78%環境光，更像是一種投資人導向營銷的噱頭。
Guttag指出，儘管利用使用LC調光的概念已經有數十年歷史，但Magic Leap是首個在AR眼鏡中應用該調光層的公司。此前IMMY在2017年曾提到過該概念，但並未推出實際產品。為什麼呢？因為液晶模組遮擋了至少60%環境光，這很難讓人接受。
相比之下，Meta Materials的調光方案為無偏振設計，透光性更好。Guttag表示：高透明度、無偏振的電子調光方案，在AR/MR中更加實用。
另外，非偏振調光方案的另一個優勢是，它不會影響顯示模組的亮度和顏色。而偏振調光鏡片在觀看偏振顯示設備如：
LCD螢幕、AR HUD時，可能會因偏振疊加導致看不到畫面。
透光度最高達85%
Meta Materials展示的電控變色原型支持明、暗兩種模式，明亮模式的透光率大約85%，僅阻擋了15%環境光。Meta Materials表示：量產版透光度更高，僅遮擋2%到4%光線，明亮模式出現的藍/黃變色也會消除。
變色速度也足夠快，在38秒內可從亮變暗，並再次變亮。其中，從亮到暗大約9秒，從暗到亮需要約20秒。雖然這個過渡速度比LCD快門方案慢，但在AR眼鏡戶外應用場景是可以接受的。
不過，要想像ML2那樣支持分段調光，亮度過渡速度需要更快，否則會有明顯的痕跡。因此，電控調光至少在任意方向的切換過程要少於1/30秒，甚至達到1/120秒級別，與顯示屏的響應速度相當。Meta Materials表示：已經找到加速變色的方法，接下來將繼續完善。
值得注意的是，Meta Materials的調光方案只需1V電壓就能變暗，明亮模式為0V電壓，唯一耗電的過程是在啟動淨電荷模組時，因此該方案相當省電。
談AR眼鏡戶外應用基礎
通常，戶外場景的環境光具有很大的動態範圍，也就是從明到暗的範圍很大。在光線充足的室內，一張紙的亮度通常在30-100尼特之間，普通顯示器在100-250尼特之間。相比之下在戶外場景中，草叢的亮度能達到2500尼特，白色混凝土6000-10000尼特，黑色瀝青則是2200尼特。
在戶外場景，AR眼鏡可能需要調暗來增強對比度，但在室內場景，其透光度要足夠高才能看清周圍環境。因此，遮擋太多環境光後，AR在室內場景的體驗感不理想，用起來也不安全。另外，AR眼鏡還需要快速（幾秒鐘）在明暗之間切換。
通常，人眼需要2:1的對比度，才能滿足基礎的文字閱讀要求，而8:1對比度可以讓顏色看起來更飽和。但是在光線充足的戶外，即使AR眼鏡亮度達到2000-4000尼特，也很難看清楚（即使以混凝土地面、綠草地為背景）。
相比之下，車載HUD可以實現高達1.5萬尼特的亮度，這樣才能在太陽光下被用戶看清。但HUD的體積遠比AR眼鏡更大，在小巧的眼鏡上實現高亮度難度、成本都要高。此外，直接將高亮度的光線給到人眼，對於人眼的體驗可能並不友好。因此，將透過的環境光調暗是更好的選擇，而且更省電。
Guttag指出，如果AR眼鏡支持理想的調光效果，那麼它將需要至少2500-3000尼特亮度，才能在室外正常使用。相比之下，亮度低於1000尼特的幾乎不能在室外使用，除非完全遮蔽環境光，而這就失去了AR的意義。
更多關注點
Meta Materials採用超材料增強PPG的性能，不過Guttag擔心這可能會帶來額外的衍射效果。對此，Meta Materials表示：與光柵不同，超材料具有隨機性，可通過調整來減少衍射。
此外，還需要關注該公司的調光方案能否將最大透光度優化至98%-96%，以及調光機制是否為純單色。電控變色的化學機制和超材料組合後，也需要達到足夠快的響應速度，才能很好的實現動態soft-edge調光。實際上，ML2已經證明，soft-edge遮擋很有用。
總之，儘管高透明度的非偏振電控變色技術不常被討論，但它一直是AR/VR缺失的一項關鍵技術，而Meta Materials代表了當下比較前沿的技術水平（至少在CES 2023上）。由於其重要性，相信我們很快會在產品中看到這項技術。除了AR眼鏡外，它也可以應用於相機、AR HUD、住宅和汽車的玻璃窗等場景。參考：KG
