近期，AR/VR光學專家Karl Guttag介紹了兩家在CES 2023展出光學傳感技術的公司：poLight和CML（劍橋機電一體化）。
同時介紹兩家公司的原因，是因為他們提供了實現AR/VR「光學微動」（Optics Micromovement）的兩種不同方案。其中，CML通過SMA來驅動光學元件和設備（包括體感元件），而poLight則是使用壓電驅動器將薄玻璃彎曲，並集成到柔性光學聚合物上。
據了解，poLight的壓電MEMS自動對焦模塊TLens，似乎已用於Magic Leap 2頭顯的1300萬像素相機中。半導體、光電諮詢公司Yole Group CEO指出，poLight提供了AR/VR頭顯的關鍵技術，它將為新一批AR/VR頭顯產品提供強大的附加值。接著我們就先分別來了解一下這兩家公司的具體業務。
關於CML
Cambridge Mechatronics Limited（縮寫為CML，中文名劍橋機電一體化），成立於1995年，該公司專注研發精密移動解決方案，可應用於智慧型手機、AR/VR、穿戴設備、無人機等領域。值得注意的是，該公司開發了一款基於形狀記憶合金（SMA）馬達的微型電機，特點是高精度、高強度、緊湊且輕巧。可用來開發各種電子產品，比如自動對焦相機、觸覺反饋技術、面部識別、AR、3D傳感。
其技術常見於一些手機的攝影機中（比如華為、魅族），特點是支持OIS（光學防抖）和自動對焦功能，此外還可以開發成屏下攝影機。
關於poLight
該公司研發了基於壓電MEMS的可調光學方案：TLens，該方案的特點是可模擬人眼成像原理，可為攝影機帶來即時自動對焦、全景對焦、恆定視場角選項等功能。據稱，Tlens可用在手機的前置攝影機中，自拍效果比基於音圈電機（VCM）自動對焦技術更好（速度更快、功耗更低、體積更小）。此外，Tlens也可以用作AR眼鏡的傳感器，或是用於智慧型手機等穿戴設備中。
poLight面向的應用場景包括智慧型手機、可穿戴、工業、AR、醫療內窺鏡、攝影機。
什麼是「光學微動」
Guttag描述的「光學微動」（Optics Micromovement）主要是AR/VR光學元件的微型驅動裝置，這種裝置有多種用途，除了攝影機的自動對焦、光學防抖外，還可實現以下幾種功能：
1）通過移動顯示模組或光學元件來提高有效解析度（超解析度）；
2）動態焦距調節，包括緩解VAC問題；
3）對於VST相機，調節攝影機焦點，與人眼焦點匹配；
4）對於SLAM相機，如果相機旋轉，可覆蓋更大區域並提高精度；
5）MicroLED像素位移技術，或用於平均像素亮度，緩解壞點或弱點像素；單色像素轉移至全色像素（類似Porotech），以及像素切換時可能的更高解析度優勢。
值得注意的是，Meta Reality Labs也在研發AR/VR動態調焦技術，採用的是液晶透鏡方案。市面上也有多家提供可調焦液晶透鏡的公司，比如FlexEnable、DeepOptics等等。
在AR/VR中的應用
此前，poLight和CML技術的一大應用場景是手機，主要用於手機攝影機的自動對焦和光學防抖功能。此外，基於poLight和CML技術打造的攝影機也可以用於AR/VR頭顯。比如，poLight的TLens方案就已應用於ML2頭顯和夏普VR頭顯原型（曾在CES 2023上展示）。
除了相機外，這兩家公司的技術還可以用於AR/VR的其他領域，接下來我們從它們的原理來分別分析。
CML技術原理
CML的業務是為客戶定製基於SMA材質的微型組件，這些組件可用於驅動光學元件或物體。據稱，單根SMA金屬絲的尺寸細如髮絲，可實現精細的控制（光波長等級），以及足夠大的拉力，可開發出微型尺寸的電子設備。
在通電後，SMA細絲會受熱收縮，而它的收縮和鬆弛動作，會觸發旁邊的彈簧結構而引起電子元件運動。若將多根SMA細絲組成各種不同的結構，還能實現更複雜的運動。除此之外，SMA線材的另一個特點是在受熱收縮時，線材也會變短變粗，從而減少電阻力。因此，CML將這種電阻變化特性，作為閉環控制的反饋資訊。
在一個案例中，CML將4組SMA驅動固定在傳感器的底座上，這些細絲驅動可在水平、垂直方向上運動，還可以旋轉，因此能夠微調傳感器的位置，實現運動校正。這種方案的優勢在於，速度快、可細緻調節、結構非常輕薄。
此外，如果將8組SMA細絲放置在底座四邊（每條邊有兩個交叉的細絲），那麼便可以在X、Y、Z三個軸運動，或做出俯仰角（圍繞X軸旋轉）、偏航角（圍繞Y軸旋轉）等動作。而結合不同的細線結構、彈簧、槓桿和棘輪機制，還可以實現更多種不同的運動。
右圖：5軸方案支持翻滾角運動（圍繞Z軸旋轉）
值得注意的是，CML為了節省SMA元件的功耗，還研發了一種名為「零保持功率」的技術，這項技術的特點是僅在需要移動光學元件時供電，未來在AR頭顯中比較有用，比如可根據光學元件的溫度來實現動態變焦。
除此之外，目前該SMA方案還需要解決有效載荷量和響應速度的問題。CML預計，在連續的像素移動時，其方案在接入大約20mA的電流時，電壓低於3.2V。
poLight原理
poLight的TLens方案採用玻璃和聚合物薄膜，具體原理是使用壓電致動器，將玻璃膜彎曲，並與高透光、折射率匹配的聚合物薄膜集成。這種彎曲過程改變了透鏡的焦點，儘可能模擬人眼對焦的方式。簡單來講，該方案由一層可變形玻璃膜、一層透鏡背板組成，二者之間為光學級別的柔性聚合物，在玻璃膜和背板兩頭，各有一個驅動器，用於調節玻璃膜的彎曲度（改變焦點），以及背板的傾斜角度（用於移動OIS圖像）。這樣一來，便可模擬人眼動態聚焦的效果。
除了單獨使用外，TLens還可以和其他光學元件結合使用，來實現OIS和自動對焦。poLight還指出，通過傾斜平面背板透鏡，可從光學上移動像素，從而為MicroLED帶來超解析度效果（像素位移）。
不過，poLight的驅動器需要高達50V電壓，但高電壓意味著高功耗，需要的組件也更多。因此，該公司推出了一個配套的ASIC驅動（型號為PD50），其內置降EMI功能，可最大限度減少外部組件（因為只需要外部電容負載），並且將功率/電流消耗保持在非常低的水平。也就是說，TLens方案的總功率小於6mW，光學設備部分幾乎不耗電，主要耗電轉移到了ASIC驅動上。
poLight表示：TLens的透光度約94%，其前部光圈的直徑只有2毫米多，雖然對小型傳感器（比如智慧型手機相機）來講足夠大，但應用在AR/VR時，光圈大小和光學變化量依然受到限制。
總結
Guttag認為，未來AR/VR頭顯需要動態移動的光學元件，至少要實現攝影機自動對焦、顯示模組動態變焦等等。總之，可移動/可改變的光學元件將在AR/VR系統中有很多用途。對比poLight方案，CML的方案適合的移動範圍和類型更廣泛，甚至可支持VR動態變焦所用到的大透鏡，而poLight似乎在體積上更具優勢，適用於小型相機等元件。參考：KarlGuttag
