CREAL的光场技术能给AR市场带来什么？

文 /VR 陀螺万里

在 AR 硬件市场中，光学方案历经多年迭代发展，似乎已经进入一个相对稳定的阶段，"Micro-OLED+Birdbath"、"Micro-LED/LCoS+ 光波导 " 成为主流。不过，在这以外，也有一些初创公司在尝试相对 " 冷门 " 的解决方案。

比如本文将提到的的瑞士创企 CREAL，企业曾表示传统 AR 光学存在 " 硬伤 "，因为它们均是伪 3D，无法解决变焦等问题。企业正试图将光场技术引入 AR 眼镜，并给用户呈现更加自然的 AR 视觉观感。

图源：CREAL

什么是光场技术，它能解决什么问题？

CREAL 成立于 2017 年，总部位于瑞士，成立以来一直致力于开发适用于 VR、AR 等设备的光场显示技术。Tomas Sluka 是企业联合创始人兼 CEO，曾是欧洲核子研究中心 ( CERN ) 和瑞士洛桑联邦理工学院 ( EPFL ) 研究员，拥有深厚光学与物理背景。此外，CREAL 不少团队成员具有 Intel、Magic Leap 等从业背景，具有较强技术实力。根据 Linkedin 数据，企业员工总数在 11-50 名区间。

CREAL 所聚焦的光场技术，是一种旨在重建真实世界光线传播方式的显示技术，CREAL 指出，" 现实世界中的光可以被描述为一个连续的射线场，这些射线会被物理物体反射、折射或发射，并在自由空间中传播。现实空间中的每个点实际上都会将无限量的光线传输到无限的方向。数字光场是对其进行的工程模拟。" 我们也可以简单将其理解为一种真 3D 表现方式。

目前市面上存在着部分光场相机产品，有别于传统相机，后者只能记录光线的强度和颜色，而前者还可以记录光线的传播方向等，值得一提的是，由于光场相机可记录景深，因而能够实现先拍照后对焦等操作。

奕目科技所推出的光场相机，图源：网络

除相机外，光场技术也可以应用于大屏、AR、VR 等显示终端当中，如果进一步划分，市场上的光场屏幕可以大致分为两类：

1、被动型光场显示器：基于柱状透镜阵列、光栅、定制微透镜等方案的显示器，如 Looking Glass 等，这些设备基于特定结构预设了多个不同的角度以传播画面，从而可以实现裸眼 3D 显示效果。它们的光线发射角度不可调，并且光效损失相对严重。

图源：Looking Glass

2、主动型光场显示器：采用空间光调制器（SLM）、MEMS 微镜阵列等组件，可以更加精细地调整显示区域像素点的光线传播方向，最终获得自然观感。CREAL 团队所采用的也是该方案，其智能眼镜所采用的光学组件是 FLCOS SLM + HOE 薄膜光学模组。

为何要引入光场？

在一些人看来，光场技术可以解决裸眼 3D 观看的问题，因而它在教育培训、展陈展览等市场中具有独特的价值。而 VR/AR 已经可以借助双眼视差获得 3D 观看效果，从这个角度来看光场技术之于 VR/AR" 迫切程度 " 似乎没有太大。

不过，如今大多数 VR/AR 类产品的常见问题在于，它只能实现单一固定焦面显示，很多时候虚像没办法匹配真实场景。（AR 眼镜常见的虚像距离大概在 1.5-3 米区间）

举例而言，如果你想要将 2 米焦平面的虚像锚定在近距离的手掌，传统方案下，如果你看着双手，虚像则会处于虚焦状态。这样眼睛在获取信息时需要来回 " 拉风箱 "，体验并不好。此外，这可能会导致辐辏调节冲突（VAC），长时间观看会产生视觉疲劳、头晕恶心等不适感。

相比之下 CREAL 光场方案可以随意切换远近视角，而窗口始终具有出色的显示效果。CREAL 在其官网表示该方案可以实现自然视觉，并获得 " 完全正确、健康的视觉体验。"

今年 AWE 期间 CREAL 有所展出，VR 陀螺在现场体验了相关产品原型，Tomas 在现场通过一个可变焦的相机镜头模拟人眼并配合手势识别抓取虚拟物体进行了演示，普通显示方案下无法切换到多个焦面，精准的抓取到虚拟物体，而其演示的光场方案下，可以切换多个焦面，而被抓取的虚拟物体也可以任意改变其位置距离。

这里说个题外话，对于虚实结合场景，市面上有 VST 以及 OST 两种方案，两者分别对应 MR 以及 AR，如果从技术原理来看，VST 的画面由摄像头采集并合成画面，OST 则是将虚拟画面以 " 贴纸 " 的方式呈现在真实世界当中，因而 OST 方案会更容易出现 VAC 问题。

为什么光场是路线优选？

除光场外，市面上还存在一些改善 / 解决以上所提到的 VR/AR 焦面单一问题的技术方案，比如说多焦面、动态变焦等。CREAL 在其《AR 中的自然视觉》白皮书中对这几种技术路线进行了对比，并表示光场方案可能是商业化落地的最佳选择之一。

多焦面显示：旨在为设备引入多个深度平面，如 Magic Leap 1 代设有两个焦平面，设备可以基于眼动数据启用某个更加匹配的虚拟屏幕。

LightSpace 曾展示过一款含 4 个焦平面的 AR 眼镜原型，其基于liquid-crystal diffuser stack+ 高刷高速投影器进行时间复用显示。不过该解决方案光学系统相对复杂。

图源：网络

变焦显示：采用变焦光学元件以及眼动追踪实时匹配观看画面，Meta 此前也展示过该方案的头显原型（代号为 Butterscotch Varifocal）。CREAL 表示该方案需要对光学模糊和眼部视差进行数字模拟，但是眼动追踪可能存在精度、响应时间和可靠性等限制，至于是否具有中期以及长期技术优势还有待观察。

计算全息（CGH）：利用相位型空间光调制器来重建目标光波的离散近似，理论上这是最理想的解决方案，不过目前它还有很多局限，如画质不稳定、对温度和电压高度敏感、刷新率低、计算量大等。该方案仍停留在实验室阶段。

综合对比来看，CREAL 认为其光场技术可能是应对 AR 设备的 VAC 等视觉挑战较为理想的解决方案之一。

值得注意的是，CREAL 采用的是顺序光场（Sequential light field ) ，即通过 sequential timing（时间分帧）来合成多视点图像，从而在人眼处形成具有视差信息的光场。有资料指出，与空间光场显示器相比，顺序光场显示器可以提供更高的角度分辨率（更多视点），同时又不会牺牲单个图像的空间分辨率。

光学原理方面，CREAL 系统基于 2D 针光阵列作为光源，光线经过光调制器处理，然后经过全息薄膜最终投射到视网膜上。其中里面投射的每条光线都携带着低分辨率的图像，调制器确保眼睛中的每个视点都能接收到特定的图像视角。CREAL 表示其方案有 36 个视角，图像投射帧率达到了惊人的 6500Hz。（注：参数会随原型迭代有所改变）

最后，视网膜会将来自多个视点的低色彩分辨率图像组合成一张完整图像，而大脑会 " 脑补 " 并进一步提升画面分辨率。

VR 陀螺从业内专家口中了解到，CREAL 的方案为视网膜显示，跟传统显示的区别在于它是一种扫描式的显示，相当于投屏模式。由于它是扫描式，所以其景深比较深，并且有变焦的可能性，或者其焦本身就有比较大的范围，但该方案有诸多受挑战的地方，如光场显示的数据处理、显示质量提升、光学设计以及成本与能耗等。

CREAL 光学示意图，视频来源：Youtube

正处于落地前夜，CREAL 的商业化进程

2022 年，Tomas Sluka 在接受采访时曾提到，CREAL 核心目标并非成为一家硬件制造商，而是想要成为光场技术方案供应商。自成立以来，企业一直致力于克服光场技术所面临的模组体积、光效、计算量、成本等系列问题并最终将其引入消费市场当中。

进一步小型化

关于模组体积，这里可以简单参考企业展示的产品路线图，CREAL 最早期的原型为一个小方盒形状，它根本没办法作为头戴式设备使用。到了 2021 年，企业展出了两款可穿戴设备原型，关于头显，它采用类似 Varjo 的双屏设计，视野中央 30 ° 范围采用 1000 × 1000px 分辨率的光场显示，外围区域则采用 1600 × 1440 的常规显示。AR 眼镜外观则类似于 HoloLens，支持 60 ° FoV、分辨率 1000 × 1000px 的显示效果。

2024 年，CREAL 发布了一款定制光场调制器（FLCOS），为模组瘦身，并让 AR 眼镜能够进一步小型化。下图是其最新的产品原型，此时它已经非常接近一款 AR 眼镜形态，只不过由于镜腿内侧需要放置光机，整体看起来还是有些突兀。CREAL 官网的最新产品计划表中，企业计划在 2026 年进一步降低光引擎的体积，并提升 Eyebox。

值得一提的是，由于 CREAL 的方案采用的是 HOE 薄膜，这还带来了额外的好处：它能够与传统近视镜片贴合，并且透过率、彩虹纹等也会优于波导方案，眼镜正面观感十分自然。

下图是 CREAL 官网所展示的 AR 解决方案规格表，可以发现光场在显示效果方面仍存在对比度较低、色彩表现较弱等显示问题。此外，CREAL 在一些文章中也曾提到当虚像距离眼睛 <20 厘米，清晰度会存在问题、调制器光效弱于 LBS、Micro-LED 等，这些有待后续进一步改善。

CREAL AR 产品的技术规格表，图源：CREAL

应用生态搭建

光场显示与常规显示的渲染策略并不相同，因为光场显示需要处理多个方向、多个焦距的复合光线场信息，对于一些常见的 3D 模型、3D 游戏等体验，光场类 AR 设备需要进行格式转换才能观看。

为了改善这一问题，CREAL 曾在去年推出了与 Open XR 兼容的驱动程序，这使得 CREAL 的光场技术能够无缝集成到各种 XR 应用和体验中，有效提升了技术的适用性。

与蔡司合作应用于视光市场

据不完全统计，CREAL 创办至今共计获得了 12 轮投资，共计筹得超过 2300 万美元的资金。投资方包括 Verve Ventures、蔡司等。其中蔡司分别在去年 9 月以及今年 7 月对企业进行了投资，最新一笔资金 890 万美元。

之所以蔡司对 CREAL" 情有独钟 "，正是看中了光场技术在视光领域的应用潜力。去年，CREAL 曾宣布，" 与蔡司合作旨在打造一个数字化视力保健平台，彻底革新现有的视力诊断和治疗流程。蔡司将利用 CREAL 的光场显示技术，向市场推出能够进行眼部状况数字化检查以及传统眼镜片、隐形眼镜等模拟的设备。"

CREAL 的真 3D 显示器将能够对任何物理或理论晶状体进行数字化复制，允许根据任何年龄段 / 客户群体定制测试程序，并支持自动化内容的投影，从而整体上减少对临床资源的需求。根据 CREAL 公告，笔者推测相关产品最快可能会在明年落地。