比ML2方案更好，高透光非偏振电控调光是户外AR的救星？

在今年CES上，加拿大材料和光学公司Meta Materials展示了具有突破性的调光技术。光学专家Karl Guttag指出，电子变色调光技术是CES 2023上展示的最重要的新型AR/VR技术之一，这是一种非偏振调光技术。

为什么说它重要呢？Guttag认为，在不久的将来，调光功能将为AR/VR等应用场景带来关键影响，尤其是在户外场景，背景调暗可以增强AR的对比度和清晰度。

关于Meta Materials

这家公司成立于2007年，主要专注于研发超材料，以及基于无线电、可见光、红外线等电磁波技术的微型模组。除此之外，也在探索超材料在AR/VR领域的应用。

在AWE 2022上，Meta Materials曾公布AR透镜定制工艺：ARFusion，宣称可通过精准浇铸，为光学模组集成屈光度调节，并加入超材料薄膜。优势是嵌入滤光器，从而减少漏光现象。此外，还支持电控变色的调光功能，更加省电。Guttag认为，ARFusion很可能会成为Luxexcel（Meta旗下）的竞争对手。

电控变色调光技术

据了解，Meta Materials的调光技术基于PPG（在去年5月达成合作）生产的电致变色凝胶、ARFusion光学模组和超材料薄膜，可控制光的强度、增强光响应。实际上，波音787的智能变色窗也是采用PPG的电致变色凝胶。

在CES 2023期间，他们将电控调光技术应用在微波炉上进行展示，效果相当惊艳，如上图令人印象深刻。我们知道，微波炉的门窗通常比较暗，不太透光，这是因为上面有一层金属网，网的孔径经过特殊设计，目的是阻挡微波离开微波炉，对周围产生辐射。因为光同时具有电磁波和粒子的特性，微波炉上的金属网正是用来隔绝微波的粒子。

而这台微波炉的透视窗就像一块普通玻璃，透过率非常高，你可以看清楚里面食物的加热过程。该技术在CES 2023上一经亮相，就在社交平台上获得了大量关注。

细节方面，Meta Materials的微波炉门采用了超材料结构，可反射微波，同时也可以让可见光波通过。而类似的技术也可以用来屏蔽电磁波，比如与窗户结合，防止电子窃听。结合不同的超材料薄膜，甚至还能让窗户将无线电波汇集在建筑物中。此外，Meta还展示了一种在眼镜片中集成透光天线的方案。

​超材料的其他用途还包括：户外摄像头、汽车前照灯、汽车尾灯、红绿灯所使用的透光加热元件。值得注意的是，Meta Materials的超材料可调成不同波长的电磁波，宣称比基于细线和ITO电极阵列的方案更有优势。

非偏振调光为何重要

Guttag指出，通常眼镜使用两种方法来调光，一种是光控变色，另一种是电控变色。其中，光致变色常见于感光变色镜片中，比如一些看起来普通的眼镜在强光下会变暗，起到墨镜的效果。它的缺点是基于定制，过渡的颜色和程度是固定的，而且变色的速度慢，变暗大约需要30秒到1分钟，变透光大约需要2到3分钟。

而电控变色调光，常见的方案是使用液晶来控制偏振光，比如具有快门功能的LCD（单个大像素），或是分段调光方案。这些方案需要先将光线偏振，但这将会阻挡50%以上的入射光，所以基于偏振的电控变色调光模组透光度通常低于50%。

而控制调光的部分，则可基于环境光传感器，或是AR/MR系统。

​Magic Leap 2就是采用偏振液晶调光模组，而在AR眼镜中采用基于液晶模组来控制外部环境光线是比较普遍的功能，它有一个专有名词“soft-edge occlusion”，直译过来就是“柔边像素调光”。然而Guttag认为，ML2的这种调光方式效果理想，牺牲了至少78%环境光，更像是一种投资人导向营销的噱头。

​Guttag指出，尽管利用使用LC调光的概念已经有数十年历史，但Magic Leap是首个在AR眼镜中应用该调光层的公司。此前IMMY在2017年曾提到过该概念，但并未推出实际产品。为什么呢？因为液晶模组遮挡了至少60%环境光，这很难让人接受。

相比之下，Meta Materials的调光方案为无偏振设计，透光性更好。Guttag表示：高透明度、无偏振的电子调光方案，在AR/MR中更加实用。

另外，非偏振调光方案的另一个优势是，它不会影响显示模组的亮度和颜色。而偏振调光镜片在观看偏振显示设备如：​LCD屏幕、AR HUD时，可能会因偏振叠加导致看不到画面。

透光度最高达85%

Meta Materials展示的电控变色原型支持明、暗两种模式，明亮模式的透光率大约85%，仅阻挡了15%环境光。Meta Materials表示：量产版透光度更高，仅遮挡2%到4%光线，明亮模式出现的蓝/黄变色也会消除。

​变色速度也足够快，在38秒内可从亮变暗，并再次变亮。其中，从亮到暗大约9秒，从暗到亮需要约20秒。虽然这个过渡速度比LCD快门方案慢，但在AR眼镜户外应用场景是可以接受的。

不过，要想像ML2那样支持分段调光，亮度过渡速度需要更快，否则会有明显的痕迹。因此，电控调光至少在任意方向的切换过程要少于1/30秒，甚至达到1/120秒级别，与显示屏的响应速度相当。Meta Materials表示：已经找到加速变色的方法，接下来将继续完善。

值得注意的是，Meta Materials的调光方案只需1V电压就能变暗，明亮模式为0V电压，唯一耗电的过程是在启动净电荷模组时，因此该方案相当省电。

​谈AR眼镜户外应用基础

通常，户外场景的环境光具有很大的动态范围，也就是从明到暗的范围很大。在光线充足的室内，一张纸的亮度通常在30-100尼特之间，普通显示器在100-250尼特之间。相比之下在户外场景中，草丛的亮度能达到2500尼特，白色混凝土6000-10000尼特，黑色沥青则是2200尼特。

在户外场景，AR眼镜可能需要调暗来增强对比度，但在室内场景，其透光度要足够高才能看清周围环境。因此，遮挡太多环境光后，AR在室内场景的体验感不理想，用起来也不安全。另外，AR眼镜还需要快速（几秒钟）在明暗之间切换。

通常，人眼需要2:1的对比度，才能满足基础的文字阅读要求，而8:1对比度可以让颜色看起来更饱和。但是在光线充足的户外，即使AR眼镜亮度达到2000-4000尼特，也很难看清楚（即使以混凝土地面、绿草地为背景）。

相比之下，车载HUD可以实现高达1.5万尼特的亮度，这样才能在太阳光下被用户看清。但HUD的体积远比AR眼镜更大，在小巧的眼镜上实现高亮度难度、成本都要高。此外，直接将高亮度的光线给到人眼，对于人眼的体验可能并不友好。因此，将透过的环境光调暗是更好的选择，而且更省电。

Guttag指出，如果AR眼镜支持理想的调光效果，那么它将需要至少2500-3000尼特亮度，才能在室外正常使用。相比之下，亮度低于1000尼特的几乎不能在室外使用，除非完全遮蔽环境光，而这就失去了AR的意义。

更多关注点

Meta Materials采用超材料增强PPG的性能，不过Guttag担心这可能会带来额外的衍射效果。对此，Meta Materials表示：与光栅不同，超材料具有随机性，可通过调整来减少衍射。

此外，还需要关注该公司的调光方案能否将最大透光度优化至98%-96%，以及调光机制是否为纯单色。电控变色的化学机制和超材料组合后，也需要达到足够快的响应速度，才能很好的实现动态soft-edge调光。实际上，ML2已经证明，soft-edge遮挡很有用。

总之，尽管高透明度的非偏振电控变色技术不常被讨论，但它一直是AR/VR缺失的一项关键技术，而Meta Materials代表了当下比较前沿的技术水平（至少在CES 2023上）。由于其重要性，相信我们很快会在产品中看到这项技术。除了AR眼镜外，它也可以应用于相机、AR HUD、住宅和汽车的玻璃窗等场景。参考：KG