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一名軟件工程師的必備素質是什麽

西门子深爱激情网內容   查阅次数:2684   更新时间: 2019-07-17 17:01

朱志辉,高端JAVA 软件设计专家, 8年软件工作经验,IT专业人士。1997年加入亚信科技公司,任AIOBS计费系统深爱激情网经理。1998年加入Sun Microsys?鄄tems Inc. China Ltd.任系统工程师,负责金融和政府各种应用解决方案。参与设计建设了中国工商银行广州、深圳分行新兴业务整合和电子银行系统。现任达内科技有限公司首席技术官。他结合自己的经历,告诉我们——软件工程师成才之路。

今天,軟件業已經成爲人們羨慕的高薪深爱激情网。我國的軟件企業達上萬家,軟件從業人員更是突破百萬。軟件業中的技術人員大都有一個明確的上升通道:編碼員——程序員——高級程序員——軟件工程師——項目經理——系統架構分析師。軟件工程師是通道最關鍵的一環。

一個軟件工程師的必備素質是什麽呢?朱志輝認爲:

一、具有良好的編程能力。編程能力直接決定了項目開發的效率。軟件工程師至少精通一門編程語言,熟悉基本語法、技術特點和ApI;二、具備認識和運用數據庫的能力。信息以數據爲中心,與數據庫的交互是必不可少的;三、較強的英語閱讀和寫作能力;四、具有軟件工程的概念。從項目需求分析開始到安裝調試完畢,軟件工程師必須清楚地理解和把握這些過程,並能勝任各種環節的具體工作。

對于想要成爲軟件工程師的從業者,朱志輝作了具體指導:

選擇什麽編程語言

編程語言那麽多,一個人不可能學完所有,那麽究竟該學哪些?朱志輝說,選擇所學語言的關鍵在于兩點:一是通用性,二是適用性。通用性是指該語言的使用範圍較大,是完成工作的基礎性工具。而且,通用性語言一般是編程人員都會的,拓展性很強,能夠爲學習其他語言奠定基礎。c++++、java等都屬于通用性語言。“c++的通用性最好。”朱志輝解釋說,“初學語言的人一定得學好c++,打好基礎。”適用性是指該語言的大面積使用受到一定限制,其應用多偏向于某個方面,如彙編語言、html語言等。每個人對自己的定位不同,有些人想進行底層開發,有些人想做網站開發,有些人想做商業軟件開發等等,最初選擇語言時就應該考慮這些定位,選擇比較適用的語言。

如何學習編程語言

“讀程序、寫程序是快速學習、掌握語言的不二法門。”朱志輝說。讀程序要求熟悉一種語言的基本語法,這樣能讀懂別人程序的每一行意思,反過來加深對語法的理解。讀程序也不能單純地讀,要真正做到“俯而讀,仰而思”。這樣就能發現別人的程序設計思想,爲自己寫程序打下基礎。

學習語言的目的關鍵在于應用,因此,寫程序是最終掌握語言的關鍵。寫程序一定要依據自身能力循序漸進地寫,開始的時候寫一點功能簡單的、篇幅短小的代碼,力求簡潔、完整,“麻雀雖小,但五髒俱全”,然後在此基礎上進行擴充,一點一點添加功能,逐漸進入應用。比如,當你需要練習一種語言基于數據庫的應用時,首要任務就是編寫一定的程序,使數據完善地保存在數據庫中;其次,你需要完成數據的增刪改查;再次,你須學會按某個具體目的編寫程序。這時,你已經成爲一名軟件工程師了。

一般來講,程序員可以分爲兩種,一種是“遊擊隊員”,他們可能對編程工具很熟,能力很強,編寫的程序簡潔高效,卻缺乏規範和合作的觀念;另一種程序員個人能力不一定很強,但程序較爲規範,合作意識良好。第二種人更有可能成爲軟件工程師。

培養對深爱激情网的認知

軟件工程師要就市場論技術,強調面向對象的分析與設計能力。畢竟,大多數軟件設計師需要讓計算機解決實際問題,因此,必須清楚地認識實際問題。IBM一份《中國銀深爱激情网加入WTO的新紀元》白皮書顯示,IBM做銀深爱激情网咨詢顧問的最終目的還是推銷自己的整體解決方案,占領中國金融業軟/硬件服務市場。IBM的行動告訴我們,要想讓技術和深爱激情网介入某一深爱激情网,僅有大批專業技術人員還不夠,還需要有對深爱激情网的認知和把握能力。

朱志輝以過去給銀行做項目爲例:最初天天聽銀行工作人員講借方、貸方,他並不十分理解,用現實生活中的事例去“代”總是出錯,直到有人說借方表現爲資産減少,貸方表現爲資産增加,他才真正明白。朱志輝說,事情很小,但這說明軟件工程師一定要了解、使用深爱激情网語言,學習、掌握深爱激情网知識,真正理解所在深爱激情网,否則,只能一直是一個程序員。

熟練掌握英語

程序世界的主導語言是英文,編寫程序開發文檔和開發工具幫助文件離不開英文,了解業界的最新動向、閱讀技術文章離不開英文,與編程高手交流、發布幫助請求同樣離不開英文。

作爲基礎軟件工程師,具有一定的英語基礎對于提升自身的學習和工作能力極有幫助。而且,軟件深爱激情网的發展一日千裏,編程工具軟件的更新換代十分迅速,軟件工程師總是需要在第一時間學習業界最流行、最先進的編程工具軟件的使用方法。

通常,在一種軟件剛剛面世的時候,軟件工程師是不可能找到這種軟件的中文使用說明或中文幫助文檔的。如果軟件工程師在軟件工程專業英語方面達到了娴熟運用的水平,就可以浏覽英文的文檔、英文的幫助文件,在最短的時間內掌握最先進、效率最高的軟件工具的使用方法。

热点 | 性能升级,骁龙855 Plus移动平台来袭

Qualcomm 今日宣布推出Qualcomm?骁龙?855 plus移动平台,这是全球领先OEM厂商采用的旗舰平台骁龙855的升级深爱激情网,旨在提供增强的性能并支持领先的数千兆比特5G、游戏、AI和XR体验。该平台在性能方面的提升将游戏体验带至全新水平,尤其是在5G场景下,将带来极致的Qualcomm? Snapdragon? Elite Gaming体验。

Qualcomm 深爱激情网管理副总裁Kedar Kondap表示:凭借CpU和GpU性能的提升,骁龙855 plus将为精英玩家带来更强大的游戏设备,不仅如此,它还将支持我们为OEM客户提供他们所期待的更高水平的5G、游戏、AI和XR体验。在骁龙855 5G移动平台作为2019年Android旗舰平台所取得的成功基础上而打造,骁龙855 plus是我们迄今为止最先进的移动平台。

骁龙855 plus集成了支持数千兆比特连接的骁龙X24 LTE 4G调制解调器,并通过利用骁龙X50 5G调制解调器和Qualcomm射频前端解决方案实现5G连接,为顶级5G终端带来最佳的蜂窝连接性能、卓越的网络覆盖和全天的电池续航。与骁龙855相比,该平台支持的增强性能包括:

Qualcomm? Kryo? 485 CpU的超级内核主频高达2.96GHz

Qualcomm? Adreno? 640 GpU实现15%的性能提升

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AI:第四代多核Qualcomm?人工智能引擎AI Engine能够带来极速响应的游戏体验。它支持每秒超过7万亿次运算并可综合实现专有的可编程AI加速。

XR:通过将XR 头显连接至搭载骁龙855 plus和骁龙X50 5G调制解调器的移动终端,用户可以轻松享受沉浸式XR体验,并获得极速、超流畅的5G体验。

搭载骁龙855 plus的商用终端预计于2019年下半年面市。

原文标题:性能升级,骁龙855 plus移动平台来袭

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光波導,一個應AR眼鏡需求而生的光學方案

光波導,因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認爲是消費級AR眼鏡的必選光學方案,又因其價格高和技術門檻高讓人望而卻步。

随着主流AR设备微软HoloLens2、Magic Leap One等对光波导技术的采用和设备量产,以及AR光学模组厂商DigiLens、耐德佳、灵犀微光等近期融资消息的频繁披露,导致光波导的讨论热度也持续增加了不少。

那麽,光波導的工作原理是怎樣的?市面上林林總總的陣列光波導、幾何光波導、衍射光波導、全息光波導、多層光波導又有什麽不同?它又是如何一步步改變AR眼鏡市場格局的?我們更看好哪一種光波導技術,爲什麽?

接下来,就让Rokid R-lab光学研究科学家、美国加州伯克利大学电子工程系博士李琨为你娓娓道来。

一?光波導,一個應AR眼鏡需求而生的光學方案

增强现实与虚拟现实是近年来广受关注的科技领域,它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素, 通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。

不同之处在于,AR眼镜需要透视,既要看到真实的外部世界,也要看到虚拟信息,所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器,通过“层叠”的形式, 将虚拟信息和真实场景融为一体,互相补充,互相“增强”。

图 1. 虚拟现实近眼显示系统的示意图; 增强现实近眼显示系统的示意图。

NED:近眼顯示

AR設備的光學顯示系統通常由微型顯示屏和光學元件組成。概括來說,目前市場上的AR眼鏡采用的顯示系統就是各種微型顯示屏和棱鏡、自由曲面、BirdBath、光波導等光學元件的組合,其中光學組合器的不同,是區分AR顯示系統的關鍵部分。

微型顯示屏,用來爲設備提供顯示內容。它可以是自發光的有源器件,比如發光二極管面板像micro-OLED和現在很熱門的micro-LED,也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏,還有基于微機電系統技術的數字微鏡陣列和激光束掃描儀。

這裏做了一張簡單的AR光學顯示系統的分類和深爱激情网舉例:

因爲本文主要闡述光波導的工作原理和特點,對其它光學方案不做詳細介紹,關于幾種方案的區別,之前也有較多文章進行了闡述。

很顯然,完美的光學方案還沒有出現,才有目前市場上百家爭鳴、百花齊放的狀態,這需要AR眼鏡的深爱激情网設計者依據應用場景、深爱激情网定位等來做權衡取舍。

我們認爲,光波導方案從光學效果、外觀形態,和量産前景來說,都具備最好的發展潛力,可能會是讓AR眼鏡走向消費級的不二之選。

二?光波導是如何工作的

在上述光学成像元件中,光波导技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件,因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,而随着微软Hololens两代深爱激情网以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产,关于光波导的讨论热度也在持续增加。

其實,波導技術並不是什麽新發明,我們熟悉的光通信系統中,用來傳輸信號的光纖組成了無數條連接大洋彼岸的海底光纜,就是波導的一種,只不過傳輸的是我們看不見的紅外波段的光。

在AR眼鏡中,要想光在傳輸的過程中無損失無泄漏,“全反射”是關鍵,即光在波導中像只遊蛇一樣通過來回反射前進而並不會透射出來。

简单来说达到全反射需要满足两个条件: 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率; 光进入波导的入射角需要大于临界角θc.

图 2. 全反射原理示意图

光機完成成像過程後,波導將光耦合進自己的玻璃基底中,通過“全反射”原理將光傳輸到眼睛前方再釋放出來。

這個過程中波導只負責傳輸圖像,一般情況下不對圖像本身做任何“功”,可以理解爲“平行光進,平行光出”,所以它是獨立于成像系統而存在的一個單獨元件。

光波導的這種特性,對于優化頭戴的設計和美化外觀有很大優勢。因爲有了波導這個傳輸渠道,可以將顯示屏和成像系統遠離眼鏡移到額頭頂部或者側面,這極大降低了光學系統對外界視線的阻擋,並且使得重量分布更符合人體工程學,從而改善了設備的佩戴體驗。

這裏將波導技術的主要優點和不足羅列如下,希望讀者閱讀完本文後會對背後的緣由更加了解。

優點

??增大动眼框范围从而适应更多人群,改善机械容差,推动消费级深爱激情网实现 – 通过一维和二维扩瞳技术增大动眼框。

? 成像系统旁置,不阻挡视线并且改善配重分布 –? 波导镜片像光缆一样将图像传输到人眼。

? 外观形态更像传统眼镜,利于设计迭代 –? 波导形态一般是平整轻薄的玻璃片,其轮廓可以切割。

? 提供了“真”三维图像的可能性 – 多层波导片可以堆叠在一起,每层提供一个虚像距离。

不足

? 光学效率相对较低 – 光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失,并且大的动眼框使得单点输出亮度降低。

? 几何波导: 繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低。

? 衍射波导: 衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕,非传统几何光学,设计门槛较高。

图 3. 基于波导的AR眼镜外观原理示意图

三?光波導的不同分類

如文章第二部分所提,波導結構的基礎是輕薄透明的玻璃基底,光通過在玻璃上下表面之間來回“全反射”前進。

如果我們基于全反射的條件做一個計算,會發現只有一部分角度的入射光能夠在波導中傳輸,這便決定了AR眼鏡最終的視場角範圍。

簡而言之,越是大的視場角,就需要越高折射率的玻璃基底來實現。因此傳統玻璃制造商比如康甯和肖特,近年來都在爲近眼顯示市場研制專門的高折射率並且輕薄的玻璃基底,還在努力不斷增大晶元尺寸以降低波導生産的單位成本。

有了高折射率玻璃基底,區別波導類型就主要在于光進出波導的耦合結構了。

光波導總體上可以分爲幾何光波導和衍射光波導兩種,幾何光波導就是所謂的陣列光波導,其通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和動眼框的擴大,代表光學公司是以色列的Lumus,目前市場上還未出現大規模的量産眼鏡深爱激情网。

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导, HoloLens 2,Magic Leap One均属于前者,全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅,苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅,另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中,色彩表现比较好,但目前对FOV的限制也比较大。

這裏還要區別一下真正的“全息技術”,其實這一直是個誤區,全息光柵只是因爲利用了類似于全息照相的原理來制造的,即用兩束激光形成幹涉條紋來調制光柵材料的特性以形成“折射率周期”,光柵本身並不能夠全息成像。

四?幾何光波導的工作原理及優缺點

“幾何光波導”的概念最先由以色列公司Lumus提出並一直致力于優化叠代,至今差不多快二十年了。

图 4. 光波导的种类: 几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图, 衍射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图, 衍射式光波导和全息体光栅的原理示意图。本图改编自https://hackernoon.com/fundamentals-of-display-technologies-for-augmented-and-virtual-reality-c88e4b9b0895

按圖4所示,耦合光進入波導的一般是一個反射面或者棱鏡。在多輪全反射後光到達眼鏡前方時,會遇到一個“半透半反”鏡面陣列,這就是耦合光出波導的結構了,也就是幾何光波導裏的“光組合器”。

“半透半反”的鏡面是嵌入到玻璃基底裏面並且與傳輸光線形成一個特定角度的表面,每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼,剩下的光線透射過去繼續在波導中前進。然後這部分前進的光又遇到另一個“半透半反”鏡面,從而重複上面的“反射-透射”過程,直到鏡面陣列裏的最後一個鏡面將剩下的全部光反射出波導進入人眼。

在傳統光學成像系統中,圖像通常只有一個“出口”,叫做出瞳。這裏的“半透半反”鏡面陣列相當于將出瞳沿水平方向複制了多份,每一個出瞳都輸出相同的圖像,這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像,這就是一維擴瞳技術。

詳細說明,假設進入波導“入瞳”的是直徑4毫米的光束,由于波導只負責傳輸而並不把圖像放大縮小等,那麽“出瞳”的也是4毫米的光束,在這種情況下人眼的瞳孔中心只能在這4毫米的範圍內移動並且仍能看到圖像。

這樣的問題是,不同性別和年齡的人雙眼瞳孔間距可能從51毫米到77毫米不等,如果近眼顯示系統的光學中心依據瞳距的平均值位置來設計,這就意味著有很大一部分人戴上這個眼鏡看不到清晰的圖像或完全接收不到圖像。

有了這個擴瞳技術,動眼框範圍通常能從最初的4毫米左右擴大到10毫米以上。你可能會産生疑問,多個出瞳,這樣眼睛不會看到重影麽?放心吧,出瞳面只是圖像的“傅裏葉面”,人眼瞳孔會從這個面截取完整的圖像信息並用自帶的“透鏡”晶狀體會將出瞳面透射到真正的“像面”上,因而同一角度的光還是會彙聚到同一個像素,不會出現重影。

可能有點難理解,但這是擴瞳技術可行的精髓。動眼框的擴大解決了深爱激情网設計中的很多問題,例如機械設計容差、深爱激情网規格數目、用戶交互體驗等,將AR眼鏡向消費級深爱激情网的實現大大推動了一步。

但是天下沒有免費的晚餐,複制出瞳導致總的出光面積增大,自然而然在每一個出瞳的位置看到的通光量就減小了,這也是引起波導技術光效率比傳統光學系統偏低的原因之一。

幾何光波導運用傳統幾何光學設計理念、仿真軟件和制造流程,沒有牽扯到任何微納米級結構。因此圖像質量包括顔色和對比度可以達到很高的水准。

但是,工藝流程比較繁冗,其中一步是“半透半反”鏡面陣列的鍍膜工藝。由于光在傳播過程中會越來越少,那麽陣列中這五六個鏡面的每一個都需要不同的反射透射比,以保證整個動眼框範圍內的出光量是均勻的。

並且由于幾何波導傳播的光通常是偏振的,導致每個鏡面的鍍膜層數可能達到十幾甚至幾十層。另外,這些鏡面是鍍膜後層層摞在一起並用特殊的膠水粘合,然後按照一個角度切割出波導的形狀,這個過程中鏡面之間的平行度和切割的角度都會影響到成像質量。

因此,即使每一步工藝都可以達到高良率,這幾十步結合起來的總良率卻是一個挑戰。每一步工藝的失敗都可能導致成像出現瑕疵,常見的有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。

另外,雖然隨著工藝的優化鏡面陣列已經幾乎做到“不可見”,但在關掉光機的情況下仍然可以看到鏡片上的一排豎條紋,可能會遮擋一部分外部視線,也影響了AR眼鏡的美觀。

接下来,我们重点分析下光波导的另一个类群 – 衍射光波导 ,?我们将着重讲解衍射光波导的工作原理,与几何光波导相比的优缺点,以及衍射光波导使用的两种主流光栅 – “表面浮雕光栅”和”全息体光栅”。

AR眼镜想要具备普通眼镜的外观,真正走向消费市场,衍射光波导,具体说表面浮雕光栅方案是目前的不二之选。目前诸如微软HoloLens一代和二代、Magic Leap One等多家明星深爱激情网,使用并用消费级深爱激情网证明了衍射光波导的可量产性。Rokid最新发布的Rokid Vision AR眼镜也是采用双目衍射光波导的方案。

制造衍射光波導所需要精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器都價格不菲,並且需要放置在專業的超淨間裏,有條件建立該産線的廠商屈指可數。

下面,就讓我們通過後半部分的內容,了解下對于AR眼鏡而言,神秘又重要的衍射光波導技術。

五 衍射光波导的核心 – 衍射光栅

要想光機産生的虛像被光波導傳遞到人眼,需要有一個光耦合入和耦合出波導的過程,在幾何光波導裏這兩個過程都是由傳統光學元器件比如棱鏡、“半透半反”鏡面陣列完成的,過程簡單易懂,但是具有體積和量産工藝上的挑戰。在衍射光波導裏,傳統的光學結構被平面的衍射光柵取代,它的産生和流行得益于光學元件從毫米級別到微納米級別,從“立體”轉向“平面”的技術進步趨勢。

那么衍射光栅是什么呢?简单来说,它是一个具有周期结构的光学元件,这个周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷 ,也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”,但归根结底都是在材料中引起了一个折射率n 的周期性变化。

這個周期一般是微納米級別的,與可見光波長一個量級,才能對光線産生有效的操控。

衍射光柵的“分光”體現在兩個維度,如圖5中所示,假設入射光是單一波長的綠光,它會被衍射光柵分成若幹個衍射級,每一個衍射級沿著不同的方向繼續傳播下去,包括反射式衍射和透射式衍射的光線,每一個衍射級對應的衍射角度由光線的入射角和光柵的周期決定,通過設計光柵的其他參數可以將某一衍射級的衍射效率優化到最高,從而使大部分光在衍射後主要沿這一方向傳播。

图 5. 表面浮雕光栅的部分衍射级和色散示意图, 全息体光栅的部分衍射级和色散示意图, 衍射光栅与分光棱镜的对比示意图。

這就起到了與傳統光學器件類似的改變光線傳播方向的作用,但是它所有的操作又都是在平面上通過微納米結構實現的,所以非常節省空間,自由度也比傳統光學器件大很多。

對于光波導而言,這一衍射角度還需要滿足玻璃基底裏的全反射條件才能在波導中傳播,這在上一篇中有分析過。

在將入射光分成不同衍射級的基礎上,衍射光柵的另一“分光”維度體現在色散,即對同一光柵周期來說,不同波長的衍射角度也不同。如圖5所示,假設入射光是白光,那麽波長越長的光線衍射角度越大,即圖示的衍射角紅光>綠光>藍光,這一色散作用在反射衍射和透射衍射中都會體現出來。

這個現象是不是看上去有點熟悉?我想大家小時候都玩過棱鏡,太陽光通過它之後也會被分光成“彩虹”,只不過它的分光原理是光的折射作用而非衍射作用。圖5將衍射光柵的分光現象與棱鏡的分光色散做了直觀的對比,可以看到衍射光柵將光分成不同衍射級別的同時,每一個級別又都有色散現象,比分光棱鏡要複雜很多。

六 衍射光波导的工作原理

了解了衍射光柵的工作原理之後,我們來看一下它如何在光波導中工作的。

如果我們回憶上一篇文章中提到的,在幾何光波導中利用“半透半反”鏡面陣列可以實現一維擴瞳,如果我們將這個概念轉移到衍射光波導裏,如圖6所示,可以簡單地用入射光柵來將光耦合入波導,然後用出射光柵代替鏡面陣列。即像蛇一樣在波導裏面“遊走”的全反射光線在每次遇到玻璃基底表面的光柵的時候就有一部分光通過衍射釋放出來進入眼睛,剩下的一部分光繼續在波導中傳播直到下一次打到波導表面的光柵上,不難理解一維擴瞳即可以實現了。

图 6. 衍射光波导中的扩瞳技术: 一维扩瞳, 利用转折光栅实现的二维扩瞳, 利用二维光栅实现的二维扩瞳。

但是人們並不滿足于在一個方向上增大動眼框,既然光柵結構比傳統光學器件能夠在更大的自由度上操控光的特性,那麽我們何不在另一個方向上也實現擴瞳呢,這樣不只可以使得AR眼鏡能夠接受更大範圍的瞳距,也可以對不同臉型、鼻梁高度的人群更有兼容性。

用衍射光栅实现二维扩瞳的概念十几年前由位于芬兰的Nokia研究中心的科学家Dr. Tapani Levola提出,并且给业内贡献了许多有价值的论文,主要使用的是表面浮雕光栅。

后来这部分Ip分别被Microsoft和Vuzix购买或者获得使用执照,所以现在的HoloLens I和Vuzix Blade用的都是类似的光栅结构和排布。如图6所示,另一个全息体光栅的代表光学公司Digilens也是用类似的三区域光栅排布来实现二维扩瞳。可以看到当入射光栅将光耦合入波导后,会进入一个转折光栅的区域,这个区域内的光栅沟壑方向与入射光栅呈一定角度,为了方便理解我们假定它是45度角,那么它就像一个45度的镜子一样将X方向打来的光反射一下变成沿Y方向传播。

并且在这个转向的过程中,由于全反射行进的光线会与转折光栅相遇好几次,每一次都将一部分光转90度,另一部分光继续横向前进,这就实现了类似图6的在X方向的一维扩瞳,只不过扩瞳后的光并没有耦合出波导,而是继续沿Y方向前进进入第三个光栅区域 – 出射光栅 。

出射光栅的结构与入射光栅类似,只不过面积要大很多而且光栅沟壑的方向与入射光栅垂直,因为它承担着在Y方向扩瞳的重任,过程与图6类似,只不过它接受的是多个光束而非一个。我们假设单瞳的入射光在经过转折光栅后扩展成M x 1个瞳,那么在经过出射光栅后就被扩展成了一个M x N的二维矩阵,其中N是光线在出射光栅区域全反射的次数即扩瞳的个数。

用转折光栅实现二维扩瞳是一个比较直观也是目前市面上主流深爱激情网如HoloLens I, Vuzix Blade, Magic Leap One, Digilens等采取的方式,其中三个光栅区域的面积、形态、排布方式可以根据眼镜的光学参数要求和外形设计来灵活调节。

另外一種實現二維擴瞳的方式是直接使用二維光柵,即光柵在至少兩個方向上都有周期,比較直觀來講就是單向“溝壑”變爲柱狀陣列。來自英國的衍射光波導公司WaveOptics就是采用的這種結構,如圖6所示,從入射光柵耦合進波導的光直接進入區域3,這個區域的二維柱狀陣列可以同時將光線在X和Y兩個方向實現擴束,並且一邊傳播一邊將一部分光耦合出來進入人眼。

可想而知這個二維光柵的設計是非常複雜的,因爲在兼顧多個傳播方向的耦合效率同時還要平衡每個出瞳的出光均勻性。

它的好處是只有兩個光柵區域,減少了光在傳播中的損耗,並且由于沒有了轉折光柵,出射光柵就可以在有限的玻璃鏡片上占據更大的面積,從而增大有效動眼框的範圍。

WaveOptics 40度FOV的模组动眼框可以达到19 x 15 mm,是目前市面上的同类深爱激情网中最大的。

七 衍射光波导的优缺点分析

衍射光波導技術與幾何光波導相比主要優勢在于光柵在設計和生産上的靈活性,不論是利用傳統半導體微納米制造生産工藝的表面浮雕光柵,還是利用全息幹涉技術制成的體光柵,都是在玻璃基底平面上加鍍一層薄膜然後加工,不需要像幾何光波導中的玻璃切片和粘合工藝,可量産性和良率要高很多。

另外,利用轉折光柵或者二維光柵可以實現二維擴瞳,使得動眼框在鼻梁方向也能覆蓋更多不同臉型的人群,給人體工程學設計和優化用戶體驗留了更大的容差空間。由于衍射波導在Y方向上也實現了擴瞳,使得光機在Y方向的尺寸也比幾何光波導的光機減小了。

在幾何光波導中,需要在鏡面陣列中的每個鏡面上鍍不同R/T比的多層膜,來實現每個出瞳的出光均勻,需要非常繁冗的多步工藝。而對于衍射光柵來說,只需要改變光柵的設計參數例如占空比、光柵形狀等,將最終結構編輯到光刻機、電子束曝光機、或者全息幹涉的掩膜裏,便可一步“寫”到光柵薄膜上,來實現多個出瞳的出光均勻。

然而,衍射光波導技術也有它的不足,主要來源于衍射元件本身對于角度和顔色的高度選擇性,這在圖5中有所解釋。

首先需要在多個衍射級別的情況下優化某一個方向上的衍射效率從而降低光在其他衍射方向上的損耗。

拿表面浮雕光柵的入射光柵來說,圖6中對稱的矩形光柵結構衍射到左邊的光並不會被收集傳播到眼睛裏,相當于浪費了一半的光。因此一般需要采用如圖4中的傾斜光柵或者三角形的閃耀光柵,使得往眼睛方向衍射的光耦合效率達到最高。這種傾斜的表面浮雕光柵在生産工藝上比傳統矩形光柵要求更高。

然後就是如何對付色散問題,如圖5中提到的,同一個衍射光柵對于不同的波長會對應不同的衍射角度。

由于来自光机的是红绿蓝三色,每个颜色包含不同的波长波段。当它们通过入射光栅发生衍射后,如图7所示,假设我们优化的是+1级的衍射光即T+1, 对于不同的波长衍射角θ+1T就会不同,即R>G>B。

图 7. 衍射光波导中的色散问题: 单层光波导和光栅会引起出射光的“彩虹效应”, 多层光波导和光栅提高了出射光的颜色均匀性。

由于這個角度的不同,光每完成一次全反射所經曆的路程長度也會不同,紅色全反射的次數少于綠色,而藍色全反射次數最多。由于這個差異,圖7中的光在最終遇到出射光柵時,藍色會被耦合出3次,綠色2次,紅色1次,這會導致眼睛移動到動眼框的不同位置看到的RGB色彩比例是不均勻的。

另外,即使同一顔色的衍射效率也會隨著入射角度的不同而浮動,這就導致在整個視場角範圍內紅綠藍三色光的分布比例也會不同,即出現所謂的“彩虹效應”。

爲了改善色散問題,可以如圖7所示將紅綠藍三色分別耦合到三層波導裏面,每一層的衍射光柵都只針對某一個顔色而優化,從而可以改善最終在出瞳位置的顔色均勻性,減小彩虹效應。

但是由于RGB LED每个颜色内部也不是单一的波长,而是覆盖了一小段波长段,仍然会有轻微的彩虹效应存在,这是衍射光栅的物理特性导致的,色彩均匀性问题只能通过设计不断优化但不能完全消除。

最近问世的Hololens II 则将LED光源换成了光谱很窄的激光光源,会极大地减小彩虹效应。为了使得眼镜片更轻薄,市面上大部分深爱激情网将红绿色并入一层波导传播。也有勇于探索的厂商使用一些新型光栅设计将RGB三色都并入一层波导,例如波导公司Dispelex,但目前全彩的demo只有30度左右FOV。

總結一下,衍射這個物理過程本身對于角度和波長的選擇性導致了色散問題的存在,主要表現爲FOV和動眼框內的顔色不均勻即“彩虹效應”。光柵設計優化過程中,對于所覆蓋顔色波段和入射角範圍很難兼顧,如何用一層光柵作用于RGB三色並且能實現最大的FOV是業內面臨的挑戰。

八 衍射光波导的分类

目前表面浮雕光柵占市場上衍射光波導AR眼鏡深爱激情网的大多數,得益于傳統光通信深爱激情网中設計和制造的技術積累。

它的設計門檻比傳統光學要高一些,主要在于衍射光柵由于結構進入微納米量級,需要用到物理光學的仿真工具,然後光進入波導後的光線追蹤部分又需要和傳統的幾何光學仿真工具結合起來。

它的制造過程先是通過傳統半導體的微納米加工工藝,在矽基底上通過電子束曝光和離子刻蝕制成光柵的壓印模具,這個模具可以通過納米壓印技術壓印出成千上萬個光柵。

納米壓印需要先在玻璃基底上均勻塗上一層有機樹脂,然後拿壓印模具蓋下來,過程很像“權力遊戲”裏古時候寄信時用的封蠟戳,只不過這裏我們需要用紫外線照射使resin固化,固化後再把“戳”提起來,波導上的衍射光柵就形成啦。

这种resin一般是在可见光波段透明度很高的材料,而且也需要与波导玻璃类似的高折射率指数。表面浮雕光栅已经被Microsoft, Vuzix, Magic Leap等深爱激情网的问世证明了加工技术的高量产性,只不过精度和速度都可靠的电子束曝光和纳米压印的仪器都价格不菲,并且需要放置在专业的超净间里,导致国内有条件建立该产线的厂商屈指可数。

在做全息體光柵波導方案的廠家比較少,包括十年前就爲美國軍工做AR頭盔的Digilens,曾經出過單色AR眼鏡的Sony,還有由于被蘋果收購而變得很神秘的Akonia,還有一些專攻體光柵設計和制造的廠家。

他們所用的材料一般都是自家的配方,基本是感光樹脂和液晶或者兩者混合。制作過程也是先將一層有機薄膜塗在玻璃基底上,然後通過兩個激光光束産生幹涉條紋對薄膜進行曝光,明暗幹涉條紋會引起材料不同的曝光特性,導致薄膜內出現了折射率差,即生成了衍射光柵必備的周期性。

由于體光柵由于受到可利用材料的限制,能夠實現的Δn有限,導致它目前在FOV、光效率、清晰度等方面都還未達到與表面浮雕光柵同等的水平。但是由于它在設計壁壘、工藝難度和制造成本上都有一定優勢,業內對這個方向的探索從未停歇

九 总结

好了,說了這麽多,讓我們比較下光波導的各個技術方案來看看究竟花落誰家,爲了方便大家橫向比較我們總結了一個比較詳細的表格。

其中幾何光波導基于傳統光學的設計理念和制造工藝,並且實現了一維擴瞳。它的龍頭老大是以色列公司Lumus,目前demo了55度FOV,成像亮度和質量都非常好。

但遺憾的是幾何光波導的制造工藝非常繁冗,導致最終的良率堪憂,由于市面上還沒有出現達到消費級別的AR眼鏡深爱激情网,它的可量産性還是一個未知數。

衍射光波导得益于微纳米结构和“平面光学”的技术发展,能够实现二维扩瞳。其中主流的表面浮雕光栅被多家明星公司使用并用消费级深爱激情网证明了它的可量产性,其中HoloLens II达到了52度FOV。

另外一種全息體光柵也在平行發展中,如果能夠在材料上突破瓶頸以提升光學參數,未來量産也很有希望。我們認爲,衍射光波導具體說表面浮雕光柵方案是目前AR眼鏡走向消費市場的不二之選。

但是由于衍射光柵設計門檻高和“彩虹效應”的存在,做出理想的AR眼鏡仍然任重道遠,需要業內各個産業鏈的共同努力,爲用戶帶來真正輕薄便攜、體驗優秀的AR眼鏡。

原文標題:一文看懂主流AR眼鏡的核心顯示技術光波導

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