Karl Guttag：论相机对焦技术在AR/VR中的沿用

近期，AR/VR光学专家Karl Guttag介绍了两家在CES 2023展出光学传感技术的公司：poLight和CML（剑桥机电一体化）。​同时介绍两家公司的原因，是因为他们提供了实现AR/VR“光学微动”（Optics Micromovement）的两种不同方案。其中，CML通过SMA来驱动光学元件和设备（包括体感元件），而poLight则是使用压电驱动器将薄玻璃弯曲，并集成到柔性光学聚合物上。

据了解，poLight的压电MEMS自动对焦模块TLens，似乎已用于Magic Leap 2头显的1300万像素相机中。半导体、光电咨询公司Yole Group CEO指出，poLight提供了AR/VR头显的关键技术，它将为新一批AR/VR头显产品提供强大的附加值。接着我们就先分别来了解一下这两家公司的具体业务。

关于CML

Cambridge Mechatronics Limited（缩写为CML，中文名剑桥机电一体化），成立于1995年，该公司专注研发精密移动解决方案，可应用于智能手机、AR/VR、穿戴设备、无人机等领域。值得注意的是，该公司开发了一款基于形状记忆合金（SMA）马达的微型电机，特点是高精度、高强度、紧凑且轻巧。可用来开发各种电子产品，比如自动对焦相机、触觉反馈技术、面部识别、AR、3D传感。

其技术常见于一些手机的摄像头中（比如华为、魅族），特点是支持OIS（光学防抖）和自动对焦功能，此外还可以开发成屏下摄像头。

关于poLight

该公司研发了基于压电MEMS的可调光学方案：TLens，该方案的特点是可模拟人眼成像原理，可为摄像头带来即时自动对焦、全景对焦、恒定视场角选项等功能。据称，Tlens可用在手机的前置摄像头中，自拍效果比基于音圈电机（VCM）自动对焦技术更好（速度更快、功耗更低、体积更小）。此外，Tlens也可以用作AR眼镜的传感器，或是用于智能手机等穿戴设备中。

poLight面向的应用场景包括智能手机、可穿戴、工业、AR、医疗内窥镜、摄像头。

什么是“光学微动”

​Guttag描述的“光学微动”（Optics Micromovement）主要是AR/VR光学元件的微型驱动装置，这种装置有多种用途，除了摄像头的自动对焦、光学防抖外，还可实现以下几种功能：

1）通过移动显示模组或光学元件来提高有效分辨率（超分辨率）；

2）动态焦距调节，包括缓解VAC问题；

3）对于VST相机，调节摄像头焦点，与人眼焦点匹配；

4）对于SLAM相机，如果相机旋转，可覆盖更大区域并提高精度；

5）MicroLED像素位移技术，或用于平均像素亮度，缓解坏点或弱点像素；单色像素转移至全色像素（类似Porotech），以及像素切换时可能的更高分辨率优势。

值得注意的是，Meta Reality Labs也在研发AR/VR动态调焦技术，采用的是液晶透镜方案。市面上也有多家提供可调焦液晶透镜的公司，比如FlexEnable、DeepOptics等等。

在AR/VR中的应用

此前，poLight和CML技术的一大应用场景是手机，主要用于手机摄像头的自动对焦和光学防抖功能。此外，基于poLight和CML技术打造的摄像头也可以用于AR/VR头显。比如，poLight的TLens方案就已应用于ML2头显和夏普VR头显原型（曾在CES 2023上展示）。

​除了相机外，这两家公司的技术还可以用于AR/VR的其他领域，接下来我们从它们的原理来分别分析。

CML技术原理

CML的业务是为客户定制基于SMA材质的微型组件，这些组件可用于驱动光学元件或物体。据称，单根SMA金属丝的尺寸细如发丝，可实现精细的控制（光波长等级），以及足够大的拉力，可开发出微型尺寸的电子设备。

在通电后，SMA细丝会受热收缩，而它的收缩和松弛动作，会触发旁边的弹簧结构而引起电子元件运动。若将多根SMA细丝组成各种不同的结构，还能实现更复杂的运动。除此之外，SMA线材的另一个特点是在受热收缩时，线材也会变短变粗，从而减少电阻力。因此，CML将这种电阻变化特性，作为闭环控制的反馈信息。

在一个案例中，CML将4组SMA驱动固定在传感器的底座上，这些细丝驱动可在水平、垂直方向上运动，还可以旋转，因此能够微调传感器的位置，实现运动校正。这种方案的优势在于，速度快、可细致调节、结构非常轻薄。

此外，如果将8组SMA细丝放置在底座四边（每条边有两个交叉的细丝），那么便可以在X、Y、Z三个轴运动，或做出俯仰角（围绕X轴旋转）、偏航角（围绕Y轴旋转）等动作。而结合不同的细线结构、弹簧、杠杆和棘轮机制，还可以实现更多种不同的运动。

右图：5轴方案支持翻滚角运动（围绕Z轴旋转）

值得注意的是，CML为了节省SMA元件的功耗，还研发了一种名为“零保持功率”的技术，这项技术的特点是仅在需要移动光学元件时供电，未来在AR头显中比较有用，比如可根据光学元件的温度来实现动态变焦。

除此之外，目前该SMA方案还需要解决有效载荷量和响应速度的问题。CML预计，在连续的像素移动时，其方案在接入大约20mA的电流时，电压低于3.2V。

poLight原理

poLight的TLens方案采用玻璃和聚合物薄膜，具体原理是使用压电致动器，将玻璃膜弯曲，并与高透光、折射率匹配的聚合物薄膜集成。这种弯曲过程改变了透镜的焦点，尽可能模拟人眼对焦的方式。简单来讲，该方案由一层可变形玻璃膜、一层透镜背板组成，二者之间为光学级别的柔性聚合物，在玻璃膜和背板两头，各有一个驱动器，用于调节玻璃膜的弯曲度（改变焦点），以及背板的倾斜角度（用于移动OIS图像）。这样一来，便可模拟人眼动态聚焦的效果。

除了单独使用外，TLens还可以和其他光学元件结合使用，来实现OIS和自动对焦。poLight还指出，通过倾斜平面背板透镜，可从光学上移动像素，从而为MicroLED带来超分辨率效果（像素位移）。

不过，poLight的驱动器需要高达50V电压，但高电压意味着高功耗，需要的组件也更多。因此，该公司推出了一个配套的ASIC驱动（型号为PD50），其内置降EMI功能，可最大限度减少外部组件（因为只需要外部电容负载），并且将功率/电流消耗保持在非常低的水平。也就是说，TLens方案的总功率小于6mW，光学设备部分几乎不耗电，主要耗电转移到了ASIC驱动上。

poLight表示：TLens的透光度约94%，其前部光圈的直径只有2毫米多，虽然对小型传感器（比如智能手机相机）来讲足够大，但应用在AR/VR时，光圈大小和光学变化量依然受到限制。

总结

Guttag认为，未来AR/VR头显需要动态移动的光学元件，至少要实现摄像头自动对焦、显示模组动态变焦等等。总之，可移动/可改变的光学元件将在AR/VR系统中有很多用途。对比poLight方案，CML的方案适合的移动范围和类型更广泛，甚至可支持VR动态变焦所用到的大透镜，而poLight似乎在体积上更具优势，适用于小型相机等元件。参考：KarlGuttag