你試過用App在家里虛擬擺放家具來看效果嗎？用過可以改變自己形象的App嗎？玩過曾經風靡一時的游戲《Pokemon Go》嗎？這些都是增強現(xiàn)實（AR）在生活中的例子。

AR系統(tǒng)能夠巧妙地將計算機生成的內容疊加到現(xiàn)實世界中。盡管谷歌眼鏡在市場上的表現(xiàn)未達預期，但目前，AR系統(tǒng)的開發(fā)進展穩(wěn)步推進，市場需求也持續(xù)增長。理想的AR眼鏡應具備豐富的功能，同時兼顧輕便和舒適，能適合全天候佩戴，不過這樣的AR眼鏡目前尚未上市。事實上，開發(fā)既能提供高分辨率圖像又具有低能耗的解決方案并非易事。隨著開發(fā)者不斷探索未來的無限可能，他們逐漸認識到，光電子集成電路（PIC）可能是實現(xiàn)這一目標的關鍵。

通過利用光的優(yōu)勢，光電子集成電路（PIC）可以實現(xiàn)快速、低功耗且高容量的數(shù)據(jù)傳輸。此外，PIC支持微型化激光束掃描技術，為更高性能、更舒適的AR眼鏡提供了新的可能性。

位于荷蘭的BrillianceRGB公司深刻理解PIC在AR應用中的重要價值，目前正在開發(fā)適用于AR和虛擬現(xiàn)實（VR）眼鏡中的激光投影光電子芯片。本文將詳細介紹這家公司如何應用新思科技的光電子技術，制造出小巧且高效的RGB激光器，以推動AR眼鏡的發(fā)展。

AR如何朝著沉浸式互聯(lián)網(wǎng)的方向演變

AR技術并不是新概念，其歷史可以追溯到1968年，當時哈佛大學的計算機科學家Ivan Sutherland發(fā)明了首個AR頭戴顯示系統(tǒng)。商業(yè)化方面，2008年德國開發(fā)出了首款AR應用，主要用于廣告。如今，AR技術的潛力已經日益顯現(xiàn)。游戲行業(yè)和元宇宙對AR系統(tǒng)的需求極大，同時，為了提升工作效率，AR技術也在工業(yè)領域得到了廣泛應用。例如，在新冠疫情期間，由于出行限制，ASML開發(fā)了一款AR解決方案，使技術支持人員可以“進入”客戶的潔凈室，協(xié)助檢修光刻機并確保其正常運行。在醫(yī)療領域，醫(yī)生利用AR技術進行培訓、手術準備及獲取患者生命體征數(shù)據(jù)。

未來學家Bernard Marr在《福布斯》雜志的一篇文章中預測，今年AR和VR等技術將帶來更具協(xié)作性與互動性的在線體驗，進一步推動“沉浸式互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展。為了使AR眼鏡等AR系統(tǒng)成為主流，并為沉浸式互聯(lián)網(wǎng)提供更強大的支持，開發(fā)者面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中一個難題是如何制造適合所有人在各種環(huán)境下使用的AR眼鏡，例如讓佩戴處方眼鏡的用戶在陽光明媚的天氣中也能舒適使用。但在實現(xiàn)這一目標之前，開發(fā)者首先需要制作出外觀和觸感與日常眼鏡相似的AR眼鏡。到目前為止，現(xiàn)有產品僅實現(xiàn)了一些小幅改進，目前尚未取得重大突破。

增強現(xiàn)實眼鏡的工作原理

AR利用光學器件搭建仿真環(huán)境，然后疊加到真實環(huán)境中，以增強使用體驗。AR眼鏡的工作原理與車載抬頭顯示器類似，即通過佩戴者眼前的眼鏡來投影仿真內容。本質上來說，眼睛是接收器，而微顯示器或激光器是光源，透鏡是光學元件。微顯示器光源可能來自有機發(fā)光二極管（OLED）或液晶顯示器（LCD）。光學元件將來自微顯示器或激光器的光與來自現(xiàn)實世界的光相結合，然后將來自微顯示器或激光器的增強信息投射到現(xiàn)實世界中。

現(xiàn)有的設計使用導光條將光源創(chuàng)建的圖像傳送到眼睛，開發(fā)者需使用多種工具來仿真所要達到的效果。在光學工作流程中，光柵耦合器需借助RSoft DiffractMOD嚴格耦合波分析法（RCWA）和FullWAVE時域有限差分法（FDTD）軟件，將顯示器圖像注入導光條中或從導光條中提取出來。理想情況下，導光條應整合到傳統(tǒng)的眼鏡框架里。開發(fā)者可通過LightTools照明設計軟件將光柵添加到模型中，然后仿真輻射度性能，以確保佩戴者能夠看到清晰的圖像，緩解因雜散光造成的對比度下降問題。隨工作流程持續(xù)推進，各種組件逐漸得到完善并相互結合，不斷簡化設計迭代的過程。

光電子集成電路幫助大幅減小RGB激光模塊的尺寸

PIC能夠低延遲地快速傳輸數(shù)據(jù)，因而在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心等應用中備受青睞。PIC可幫助AR眼鏡以更高效的方式處理光線，從而促進研發(fā)更輕便、更節(jié)能的眼鏡設備，提供更加清晰生動、流暢自然的全息圖像。通過使用PIC，BrillianceRGB開發(fā)出了尺寸更小、效率更高的紅綠藍三色（RGB）光源。該光源的尺寸為4×7mm2（并正朝4×4.5mm2方向發(fā)展），輸出功率高達100mW，可幫助客戶克服AR投影應用在微型化、集成度、能效和總體舒適度方面的挑戰(zhàn)。

為了盡量縮小RGB激光模塊的尺寸，BrillianceRGB采用了基于氮化硅的PIC。另外，借助光電子技術和半導體開發(fā)方法，BrillianceRGB還開發(fā)出了一種可擴展性超強的制造和封裝工藝。其激光芯片采用“倒裝芯片”技術，緊貼其他先進組件放置。目前，BrillianceRGB正致力于將現(xiàn)有的概念驗證轉化為針對特定客戶的定制化原型，并力求與客戶的眼鏡框架實現(xiàn)無縫集成，以便順利進行批量生產。

BrillianceRGB的激光芯片設計采用了新思科技的OptoDesigner工具，該工具深受BrillianceRGB許多資深開發(fā)者的青睞，他們從大學時期就開始使用這款解決方案，對其非常熟悉。

OptoDesigner的算法模塊能夠幫助開發(fā)者設計和優(yōu)化光電子元件、波導以及整個芯片。在光子集成電路（PIC）中，波導的作用是限制并引導光能的流動，如果設計得當，還可以高效地組合和傳輸紅綠藍三色光。得益于OptoDesigner解決方案中內置的光電子感知算法，BrillianceRGB的波導布線一次成功，極大地節(jié)省了時間和人力資源。

現(xiàn)在，OptoDesigner已與新思科技的OptoCompiler完全集成，后者是一個一站式的電子和光電子設計環(huán)境，支持PIC的仿真、布局和驗證。OptoCompiler還能為AR應用設計和優(yōu)化超表面。

AR必將很快成為主流

在未來幾年內，AR眼鏡有望進入主流市場，這一過程必將令人矚目。屆時，我們可能會看到有人在地鐵通勤時，通過虛擬屏幕來處理工作。同時，光電子技術將繼續(xù)展現(xiàn)其價值，為全球帶來更多創(chuàng)新的AR系統(tǒng)應用。

審核編輯：劉清