自Oculus和HTC分別發布了自家的虛擬現實眼鏡以來，虛擬現實(VR)技術受到了廣泛關注。VR被看做是下一個科技風口。此時，美國一家神秘的創業公司Magic Leap橫空出世，沒有任何所謂的AR眼鏡推出，只是在YouTube上放出了多個視頻，但他們卻能獲得十幾億美元的投資。
Magic Leap展示的混合現實視頻
然而，就是這家成立6年獲得巨額投資的創業公司卻頗為神秘，除了幾段震撼的合成視頻外，幾乎沒有任何實物展示于公眾面前。若不是今年4月份著名科技雜志《連線》的前主編凱文-凱利的一篇專訪，我們幾乎不可能知道Magic Leap工作原理。正是這篇深度專訪再聯系Magic Leap今年提交的幾項專利，才讓我們得以一窺這家神秘公司背后的“黑科技”。
Magic Leap說的MR究竟和AR有何區別
Magic Leap宣稱自己研發的是“混合現實”(MR)技術，而一般這項技術被稱作“增強現實”(AR)技術。它不同于VR全封閉式的體驗，而是將圖像投影在透明的鏡片前，與現實世界混合(Mixed)為一體，所以被叫做“混合現實”。混合現實和增強現實一樣被看做是虛擬現實的終極形態。
此前，谷歌和微軟兩家公司曾率先推出了Google Glass和Hololens兩款AR顯示設備。Google Glass采用的是一組棱鏡系統，把圖像投射在兩塊棱鏡的界面上，用戶觀察圖像需要把視線移到棱鏡上。HoloLens則是直接把圖像投射在前方鏡片上，類似于汽車上的新興顯示技術HUD(平視顯示器)。這是一種最早用在飛行員身上的技術。
Google Glass工作原理
從曝光的專利圖像來看，Magic Leap的原理和谷歌、微軟的方案大相徑庭。如果說AR是在現實世界的基礎上疊加了半透明圖像，那么MR技術疊加的就是不透明圖像。通俗來說，就是圖像可以和真實物體相互遮擋。
AR技術看起來像是在真實物體上貼了半透明標簽。MR技術則是構建了一個虛擬的物體，用戶甚至難以區別它和真實物體。若虛擬物體在真實物體后方，就會被遮擋住。
MR技術要求設備能夠對用戶所在場景進行3D建模，還要實時處理好真實物體距離和虛擬物體景深的問題。這別比僅在真實世界中添加2D虛擬圖像的過程要復雜得多。
此外，Magic Leap產生的是真實世界中的3D光場，人眼看到的物體與實際3D物體無異。而Hololens、其它VR產品以及我們常見的3D電影，都是利用兩眼視差構建的“偽3D”圖像。
Magic Leap如何構建虛擬世界
Magic Leap與之前的AR、VR技術完全不同，可謂自成一套技術體系。
在輸出光源上，Magic Leap和它的“前輩”Google Glass、HoloLens完全不同。Google Glass與HoloLens都采用類似于投影儀的原理，在背光前加液晶屏掩膜板投影，所使用的是一般的白光。而Magic Leap使用激光束投影，成像是利用多種顏色光線的合成。
從今年4月《連線》雜志一張秘密訪問Magic Leap的照片可以看出，這家公司的AR眼鏡需要由光纖把多種顏色激光器發出的光導入到鏡片中，看起來相當酷炫。
Magic Leap使用激光作為光源
從激光器里導出的光線并不能直接成像，而是需要通過一種可以掃描的光纖才能實現。其原理與已經被淘汰的CRT顯示器類似。CRT顯示器是利用陰極射線管發出的一束電子射線激發熒光屏來顯示圖像，顯像管里的磁場控制著掃描電子束的方向。
CRT顯示原理
在掃描光纖里，電子束改成了光纖頭，光纖頭能直接發射出光。但是掃描是如何實現的呢？要知道，光纖僅相當于發絲大小，還要1毫米范圍內精確控制掃描的精度，難度是很大的。好在有一種叫做壓電晶體的材料，當給這種材料兩端加上電壓時，這種材料就會出現伸縮，伸縮的比例大小和電壓成正比。讓光纖頭緊貼在這種材料上，就是實現1毫米見方空間里的精確控制。
光纖掃描單元內部構造
光纖頭掃出的圖像雖然很小，但是通過掃描光纖前部的放大鏡片組，就能產生比光纖孔徑大得多的圖像。如下圖所示。
掃描光纖如何顯示圖像
掃描光纖產生的圖像下一步將送到“光子光場芯片”。它是整個Magic Leap的技術核心，也難怪公司創始人在接受《連線》采訪時也驕傲地展示了這個類似玻璃眼鏡片的東西。對物理知識略有了解的人都能猜出這塊“鏡片”可能是一種極為特殊的衍射光柵。
衍射光柵的作用是把光的空間分布重新調配，比如一束激光本來打在墻面上是光斑，但是經過光柵后將變成分散在空間中衍射條紋。
通過衍射光柵實現光場的重新分布
光子光場芯片的作用正是把從掃描光纖里射出的光纖折射到人眼中。不過，光子光場芯片并非的普通的衍射光柵。一般的衍射光柵是不可調控的，當入射的光波長確定后，光柵不能對光任意地調制。而且光柵是對一種顏色的光有效，對另一種顏色的光達到相同效果就必須做出改變。(紅光通過衍射光柵后條紋分布較為稀疏，而藍光通過衍射光柵后的條紋分布較為密集，要想做到和紅光的條紋一樣稀疏，必須換一套光柵。)
Magic Leap創始人Rony Abovitz神秘的光子光場芯片
Magic Leap的這塊“神奇鏡片”要實現對不同顏色光線的控制，必須隨著入射光線的改變而隨時變化，令一方面，同時處理多束光線的光子光場芯片很可能是由多層堆疊起來。
此外，為了讓光纖不遮擋現實物體，入射光線必須從“鏡片”的側面引入，這也大大增加了“光子光場芯片”的芯片的設計難度，因為這意味這光在其中要彎轉90度。
目前我們對這塊芯片的具體原理還不是很清楚。從以上的推測可以看出，“光子光場芯片”能實時調控入射光線的分布，通過這種對光線的改變，構造出一種立體的“光場”，從而產生3D的混合現實圖像。
Magic Leap小型化面臨的困難
首先就是光源的小型化。Magic Leap要實現類似真實物體的重現，必須使用多種顏色的光源進行圖像合成，還要保證激光器提供的光強度足以和反射自然光的物體“混合”(Mixed)。即使只使用3種顏色的激光器，重量也不容小覷。從《連線》雜志曝光的照片來看，Magic Leap目前使用的激光器在實驗臺以外，體積應該不小。
其次是圖像計算芯片的小型化。市面上現在出售的VR與AR產品都采用雙眼視差來呈現3D圖像，而Magic Leap渲染的圖像是真實的3D圖像。以HTC Vive和Oculus Rift為例，這兩款VR眼鏡都需要使用當今頂級的NVidia顯卡，手機芯片中的GPU僅足夠提供入門級VR的性能。而Magic Leap專利文件中顯示的分辨率為4K，不僅遠遠超過手機VR的分辨率，也大大高于PC級VR。
還有就是移動設備的“痛點”——電池。當初，谷歌眼鏡僅能提供簡單的2D圖像投影和拍照功能，續航只有短短數小時。而Magic Leap的性能遠比谷歌眼鏡強。為了提供光源和計算芯片的能量，電池容量至少要做到和智能手機類似的水平，當今手環等可穿戴設備的小容量電池應該不足以長時間驅動Magic Leap的眼鏡。增大電池又增加產品重力，已經有用戶對微軟Holelens五百多克的重量不滿。Magic Leap要做到“穿戴舒適”可謂任重道遠。
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