視覺(jué)對(duì)人類來(lái)說(shuō)是如此重要，以至于你大腦幾乎一半的能力都致力于視覺(jué)感知。.毫不奇怪，Meta，微軟和蘋果等超大規(guī)模公司押注增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR / VR）——從增強(qiáng)視覺(jué)開(kāi)始——成為新的機(jī)器-人機(jī)界面。由于我們的眼睛是僅次于大腦的第二復(fù)雜的器官，因此AR / VR取代個(gè)人電腦和智能手機(jī)是有意義的。然而，電子學(xué)（大腦）和光學(xué)（眼睛）仍然存在許多技術(shù)障礙。在我關(guān)于成像設(shè)計(jì)趨勢(shì)的第一篇博客文章中，我討論了數(shù)字孿生將如何通過(guò)成像系統(tǒng)的端到端仿真（從制造和測(cè)試到用戶體驗(yàn)虛擬化）促進(jìn)大規(guī)模定制和數(shù)據(jù)優(yōu)化。在這篇博文中，我將重點(diǎn)介紹AR/VR如何推動(dòng)成像設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。 任何認(rèn)為數(shù)字孿生只包括機(jī)械、熱或電氣組件的人都不需要AR/VR系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)顛覆性的光學(xué)智能成像系統(tǒng)。

什么是成像系統(tǒng)，它們?nèi)绾卧贏R/VR系統(tǒng)中使用？

成像系統(tǒng)用于各種應(yīng)用中的觀察、圖像捕獲或圖像顯示，包括太空探索、工業(yè) 5.0 的機(jī)器視覺(jué)、國(guó)防和安全、娛樂(lè)、輔助駕駛、計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)。成像系統(tǒng)通常由相機(jī)和顯示器以及成像鏡頭組成。它們可以是獨(dú)立的單元或模塊化組件組件。

數(shù)字化在20年中期進(jìn)入我們的生活千世紀(jì)。第一個(gè)機(jī)器人機(jī)界面（MHI）是只有專家才能使用和交互的大型計(jì)算機(jī)。在 1970 年代后期，第一臺(tái)個(gè)人電腦在智能手機(jī)進(jìn)入我們的口袋之前就進(jìn)入了我們的家庭。預(yù)計(jì)MHI的下一次革命將是AR / VR系統(tǒng) - 抬頭和免提。目前還沒(méi)有人能夠預(yù)測(cè)未來(lái)MHI的確切形狀，但要使它們無(wú)縫和邊緣，而不是連接到云，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

完美的沉浸式環(huán)境仍然是虛擬現(xiàn)實(shí)的夢(mèng)想。無(wú)處不在的無(wú)縫疊加是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)。不要忘記價(jià)格、整體性能（圖像質(zhì)量、電源效率）和人體工程學(xué)方面的多重限制。有朝一日，AR/VR系統(tǒng)可以像隱形眼鏡一樣輕巧、無(wú)縫和高效——不會(huì)分散你的注意力，而是通過(guò)在視野中的精確位置提供量身定制的信息來(lái)加強(qiáng)注意力。

正如我們的大腦和眼睛是兩個(gè)主要器官一樣，計(jì)算芯片和成像系統(tǒng)是未來(lái)AR / VR MHI的核心。遵循摩爾定律，半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)幾十年來(lái)一直在努力使計(jì)算芯片小型化。因此，今天的智能手機(jī)具有 1970 年代超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。光學(xué)電子行業(yè)必須付出同樣的努力，為AR/VR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、數(shù)字化和智能成像系統(tǒng)。

成像系統(tǒng)小型化

今天只需 1 美元，您就可以購(gòu)買一套八個(gè)自由曲面塑料鏡片，這些鏡片可以放入不到千分之一英寸的尺寸。1.這套復(fù)雜的鏡頭是通過(guò)優(yōu)化一千多個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)的。CMOS圖像傳感器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)芯片也已經(jīng)小型化和改進(jìn)，每個(gè)智能手機(jī)都有不少于四個(gè)攝像頭：它們比二十年前的第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像更好，后者擁有超過(guò)一百萬(wàn)像素和笨重，復(fù)雜的鏡頭。

顯示器也變得越來(lái)越小，以至于我們的下一個(gè)MHI不僅可以在我們的眼睛上，還可以在我們的眼睛里。像MOJO Vision這樣的公司正在開(kāi)發(fā)顛覆性的小型系統(tǒng)，可以安裝在隱形眼鏡上，乍一看是看不見(jiàn)的。這種仿生眼由一個(gè)比一粒沙子還小的顯示器組成，該顯示器將其發(fā)射引導(dǎo)到我們眼睛最敏感的部分 - 中央凹 - 那里是光感受器數(shù)量和密度最高的部分。更高版本將包括處理器、眼動(dòng)追蹤傳感器和通信芯片。一個(gè)微小的電池也可以為整個(gè)設(shè)備供電。

成像系統(tǒng)走向數(shù)字化

與幾十年前的電子產(chǎn)品類似，今天的光學(xué)器件主要是模擬的。光學(xué)系統(tǒng)由復(fù)雜的笨重表面、成堆的薄膜或連續(xù)的形狀組成。直到最近，才出現(xiàn)了這種傳統(tǒng)方法的替代方案。扁平光學(xué)器件的出現(xiàn)是為了創(chuàng)造納米結(jié)構(gòu)器件（具有小于波長(zhǎng)的特征），能夠復(fù)制光學(xué)功能，如聚焦、濾色和反射。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是其緊湊性、多功能性和與半導(dǎo)體工藝的兼容性，為光學(xué)和電子協(xié)同集成釋放了新的可能性。要使這項(xiàng)技術(shù)成熟，需要克服許多障礙。材料和半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，如應(yīng)用材料公司，正在利用他們的專業(yè)知識(shí)幫助推動(dòng)扁平光學(xué)技術(shù)進(jìn)入各種批量市場(chǎng)。

每個(gè)光學(xué)元件都將從模擬過(guò)渡到數(shù)字。全數(shù)字成像系統(tǒng)將以更敏捷和更具體的方式收集或顯示圖像。注視點(diǎn)相機(jī)或顯示器是如何以更定制和更有效的方式使用像素化成像系統(tǒng)的一個(gè)例子，將詳細(xì)的視覺(jué)信息精確地帶到必須處理的地方，而使其他區(qū)域分辨率較低。從某種意義上說(shuō)，數(shù)字成像系統(tǒng)將模仿我們的眼睛的功能。

面向未來(lái)的設(shè)計(jì)：成像系統(tǒng)智能化

我們大腦的一半處理視覺(jué)信息。同樣，成像系統(tǒng)必須變得智能，這意味著光學(xué)和電子必須共同設(shè)計(jì)、共同優(yōu)化，甚至可能共同制造。

成像系統(tǒng)由收集光線的傳感器、將原始傳感器信號(hào)傳輸?shù)教幚韱卧?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器以及對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后處理以做出決定的計(jì)算機(jī)視覺(jué)單元組成。每個(gè)組件都由不同的團(tuán)隊(duì)單獨(dú)設(shè)計(jì)，并采用各種技術(shù)制造。

近傳感器或傳感器內(nèi)計(jì)算是更具創(chuàng)新性的成像系統(tǒng)的主要趨勢(shì)，這些成像系統(tǒng)具有優(yōu)化的能耗、低延遲和更高的安全性。例如，CMOS圖像傳感器可以由平面片上系統(tǒng)組成，該片上系統(tǒng)集成了光電二極管陣列、脈沖調(diào)制電路和簡(jiǎn)單的ADC轉(zhuǎn)換器，以便在傳感器層附近或傳感器層中具有前端處理單元。其他方法可能包括一種解決方案，其中光學(xué)器件、傳感器和算法聯(lián)合優(yōu)化，然后相互配合使用，作為獨(dú)特成像問(wèn)題的解決方案：識(shí)別物體做出決定與拍攝紀(jì)念品照片不同，視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)應(yīng)該不同于眼動(dòng)追蹤攝像機(jī)。顯示引擎也可以變得如此智能和完全優(yōu)化，以至于我們甚至可能不需要構(gòu)建中間圖像來(lái)渲染真正身臨其境的內(nèi)容。

下一代成像系統(tǒng)有望擴(kuò)展AR / VR技術(shù)，使其能夠取代個(gè)人電腦和智能手機(jī)。對(duì)于光學(xué)行業(yè)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，尤其是對(duì)于智能成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的催化劑生態(tài)系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷