舜宇V基金投研部總監辛然
作者 | 辛然
整理 | 楊逍
2019年11月9日至10日，科技智庫「甲子光年」在北京舉行2019「甲子引力」大會。在11月9日下午舉行的“前沿科技”專場上，舜宇V基金投研部總監辛然以“光電賦能AI”為主題發表了演講。
1.光電技術的三大應用場景是手機相機，汽車輔助駕駛、無人駕駛和AR/VR眼鏡。
2.光電賦能AI的方式是為以AI為核心的計算和處理中心提供數據入口（成像技術形成圖片、視頻數據）、內容出口（顯示功能實現人機交互）和底層基礎設施（光傳輸、光存儲，提供計算所需的基本能力）。
3.光電技術的發展趨勢：光電世界由2D邁向3D，衍射光學器件開啟巨大新應用。
4.未來可能顛覆認知的兩個光學技術：超透鏡成像和無透鏡成像。
很高興今天有機會和大家聊一聊。「甲子光年」有一個光字，我們舜宇V基金是在光電行業，也有一個光字，便一起組織了這么一個光電論壇，希望把注意力給光電這個隱形冠軍。
光電技術的三大應用場景
為什么說光電是隱形冠軍？首先光非常重要。在上帝創造世界的故事中，第一句話就是‘Let there be light’，但無處不在的東西往往不被人注意。我希望通過這20分鐘的分享，讓大家看到在我們每天使用的新科技背后，光電技術發揮著怎樣的支撐作用。
隨著人工智能的發展，我們相信光電對賦能智能世界會起到越來越大的作用。
今天在座的有我們光電行業的同仁和大佬，也有對光電不是特別熟悉的朋友，開頭我會講幾個人工智能的應用場景，看一看在這些場景中，光電能為智能世界做些什么。
首先，手機是應用最廣泛的智能終端之一。智能手機只有十多年的歷史，但已形成一個規模超過萬億人民幣的市場，每年新手機的需求量已達到14億部。現在，手機最重要的功能——拍照，就是通過光電技術實現的。
手機上的攝像頭越來越多了。舜宇V基金在美國硅谷投的一家公司甚至做出一款有16個攝像頭的相機。手機攝像頭存在大量需求，每年可以達到四五十億顆，為光電行業帶來千億的市場。我相信隨著人工智能的發展，光電在手機上將會有更大的用武之地。
汽車的輔助駕駛和無人駕駛是人工智能一個非常重要的落地場景，光電能為這件事做什么呢？就像人開車需要看清路一樣，汽車的自動駕駛也需要感知周圍環境以及車內情況。各種各樣的光電視覺傳感器為自動駕駛提供了一個智慧的眼睛，這些傳感器包括各種各樣的攝像頭，比如說高清的，能實現夜視的紅外，還有現在非常受關注的激光雷達。
現在汽車的需求量每年有八九千萬臺，很快會逼近一個億。我們的判斷是，輔助駕駛和自動駕駛三四年之后會逐漸成熟，并且起量。在這種情況下，汽車里里外外就需要十顆以上的攝像頭，三到五顆激光雷達，這能為光電行業帶來幾千億人民幣的市場增量。
第三個更加代表光電未來的應用場景是AR眼鏡。AR眼鏡是未來最有潛力挑戰智能手機地位的產品，我認為它本身就處于爆發浪潮的前夕。
光電技術為AR眼鏡做了些什么呢？實際上做了兩件事：第一，各種視覺傳感器為AR眼鏡采集需要的信息；第二，光電顯示技術能在AR眼鏡上為佩戴者投射出一個虛擬的世界。在AR眼鏡上，光電器件所占的成本超過總成本的一半，我們認為，AR眼鏡的爆發有潛力為光電行業帶來一個超過萬億的市場。
光電怎樣賦能智能世界？
我們只講了三個應用，其實還有更多。但通過這三個應用可以總結一下，在不同的場景中，光電如何賦能智能世界？
AI是對數據進行計算和處理的中心，我們認為光電技術為這個中心提供數據的入口，提供內容的出口，還提供AI得以實現的底層基礎設施。
首先看入口，光電的成像技術為AI提供圖像數據，這也是AI最重要的數據入口。目前大部分已經數字化的數據是基于圖像和視頻的。理解成像不要局限于二維的照片，現在衍生出來的3D成像技術，例如激光雷達以及超光譜成像技術，都大大提高了成像信息的采集維度，這都是廣義上的成像技術。
光電為AI做的第二件事是顯示功能，這成為AI內容的出口。除了剛才提到的AR眼鏡，車載HUD也是一個案例，它把駕駛者需要的信息實時地投射到擋風玻璃上，這樣駕駛者的信息來源就不再局限于儀表盤。
再往底層看，光電行業中還有另外一個巨大的分支——光通信，以及未來的光存儲。人工智能非常依賴數據，光通信實際上為人工智能提供了基礎設施；我們再拓展一下，光電行業里的激光加工，能為智能制造、高端制造去賦能；光電行業中的光伏，也能為我們未來的智能世界提供一個清潔能源，所以這里的空間非常大。
光電技術的發展趨勢
接下來我會分享幾個光電技術的發展趨勢。主要有三個要點：光電世界由2D邁向3D；衍射光學器件開啟巨大新應用；未來的顛覆性技術有哪些？
第一，光電世界由2D邁向3D。
講3D之前要先看2D成像。傳統光學的成像是給人眼看的，后來出現了數碼相機、手機，使得拍照和分享照片更加方便，也成就了這么大的一個光電成像行業。
是什么推動了這件事情呢？主要是兩個，一個是光學鏡頭。手機的光學鏡頭對鏡頭本身提出了新要求——要成好像，鏡頭要非常小，要海量生產，還要低成本、耐用。這些新需求實際上對鏡頭的設計和生產方式都提出了巨大挑戰。像國內的舜宇集團正是因為迎接了這樣的挑戰，掌握核心的能力，才成為這個行業的龍頭公司。
另一個是半導體領域里的圖像傳感芯片。它將光學上所成的像迅速轉化為數據，完成一個光信號向電信號的轉變。我認為圖像傳感芯片在光學延伸到光電行業的過程中起了非常大的作用。
講完了2D，我們來講3D成像。首先要回答為什么需要3D成像？
人工智能發展到今天，人們希望機器能完成多種多樣的、更復雜的任務，而基于二維的數據輸入已無法滿足需求，所以需要3D成像。我舉個例子，人臉識別，如果你拿一個照片放在一張二維的人臉識別器前面，它區分不出來這是照片還是真人，而3D成像就可以區分，因為3D有一維深度信息，這一維信息可以幫助機器去做測量、去做識別、去做判斷。
再說一說3D成像的實現方案，如結構光方案，當然還有其他的方案。
結構光方案跟傳統成像很不一樣。傳統成像獲取的是目標物反射的自然光，但結構光成像是主動發光成像。我們看到的結構光成像方案中，要把一個光點組成的點云打到要檢測的表面上。想象一下，這個點云如果打到一個平面上，我們會知道這個分布的結構；但如果打到一個有起伏的表面，它的分布就會改變，我們獲取了這種分布的改變，再結合算法，就能重構出我們被測表面的深度信息。
結構光方案背后有什么核心技術？主要是兩點。第一，一個能投射點云的投射器，這是硬件；第二，重構這個深度信息的算法。
投射器的硬件還需要幾個核心器件。首先，投射點云需要光源，這個光源現在用的是VCSEL（垂直腔面發射激光器）。VCSEL本身是一個有40年歷史的半導體激光技術，但直到近年，它被用到了消費電子上才更受關注；有了光源，你想成這樣的點云，還需要對它的強度進行調制，要靠另外一個光學器件——衍射光學器件。
衍射光學器件，這正是接下來要分享的第二個技術趨勢，我認為它會開啟巨大的新應用。
什么是衍射光學器件？它最大的兩個特點，一是表面有一些非常微小的結構，這些結構的尺寸接近或者小于光的波長。我們知道光的波長非常小，對于可見光來說只有幾百納米。二是設計原理是波動光學，我們知道光是電磁波，這樣的設計原理更加接近光學的本質。
在衍射條件下，光不再是直線傳播。它后面有復雜的數學，還要做成小的結構，那么好處是什么？它的好處是這樣的，第一，有了小的結構，可以在更微觀的尺寸上對你的光做操縱，這樣你能實現的功能、想象的空間就更大了；第二，從概念上講，光有兩個特性，一個是強度，另一個是相位。我們以前大部分時候關注的都是強度，但衍射光學器件用波動光學做設計，我們要關注它的相位，而操縱光的相位為我們提供了更大的操作空間。
衍射光學器件的應用還處在早期探索階段。舉兩個例子，第一個是結構光方案。點云是通過一個叫做DOE（衍射光學元件）的器件來實現的，具體方式是光穿過光學器件，光學器件對光進行相位調制，再經過傳播最終形成復雜的點云。下圖的中間的這幅圖是一個典型的DOE的結構。
衍射光學器件的另一個應用是AR眼鏡。AR眼鏡能讓佩帶者既看到真實的世界，又看到一個投射出來的虛擬世界，而投射的內容還要求非常高清、逼真，這是很難的，因為看到真實世界和看到投射的內容，這兩點在光學上講是矛盾的。
為什么有矛盾？要怎樣解決？首先AR眼鏡片是透明的，因為只有它透明，你才能看到真實的世界。虛擬的內容產生后，光將之傳輸到AR鏡片中，當光傳到透明的鏡片上時，它會耦合到薄薄的鏡片里，再耦合出這面鏡片進入人眼。光經過了一個復雜的傳播過程，但這個傳播過程是通過一個非常輕薄、透明的器件完成的，實際上這本身非常難，衍射結構在這種方案中起了關鍵的作用。
最后聊一聊未來有哪些可能顛覆我們今天認知的光學技術？
這要從我們今天所認知的光學談起，這是一個傳統的成像系統（下圖第一幅圖），左邊是物，右邊是像，中間是透鏡。實際中要用多個透鏡。
今天我想分享兩個有可能顛覆未來的技術，一個叫做超透鏡成像，一個是無透鏡成像。
超透鏡成像從根本上改變了透鏡的實現方式，這種透鏡是平的，不靠幾何形狀改變光的傳播方向，但這個平面上有很多微小結構，通過這些微小結構與光的作用可以實現對光的操縱。
這些微小結構其實是剛才講的衍射的進一步延伸，但它需要做的結構比衍射光學要更小一個數量級左右。
好處在哪？這樣的超透鏡如果真的做成了，一片薄薄的鏡片可以實現很多鏡片才能達到的成像效果，甚至可能突破光學系統的極限，即所謂的衍射極限。
第二個顛覆性的技術叫無透鏡成像，就是直接不用透鏡了。它怎么實現呢？把光打到你想成像的物體上，然后形成衍射圖案，通過衍射圖案，結合算法，再重構出你想拍到的物體。
它有什么作用呢？我覺得現在能看到的最現實的作用是，無透鏡成像是計算成像的一個分支，它里面發展出來的算法，現在就可以幫助到我們已知的光學系統。無透鏡成像還可以在不適合使用透鏡的場景使用，比如說一些顯微場景。
這是我今天想分享的內容。我帶大家回憶一下，我們今天講了一些光學的應用場景，講了在這些應用場景中光電為智能世界做了什么事情；講了光電技術發展的三個趨勢。
我認為光電的發展會更好地為智能世界賦能，光電行業服務著很多個千億乃至萬億級的市場，我們的賽道是非常廣闊的。
最后我還有一個口號，“以智慧之眼，助AI大勢”，謝謝大家。
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