开启AR眼镜消费级的金钥匙？内行解读光波导的挑战与机遇

开启AR眼镜消费级的金钥匙？内行解读光波导的挑战与机遇

发布时间：2021-08-20 16:14  |  标签： AR眼镜 消费级 光波导

年中Snap以超5亿美元收购全球领先光学模组供应商WaveOptics，关于AR眼镜的光学路径再度引起业内讨论与思考。

各大巨头纷纷押宝AR眼镜在未来将成主流，而AR ToC其中一个关键点就是硬件形态的优化。“作为AR眼镜中最关键、也是最稀缺的核心器件”，光学显示模组在技术上的每一小步，都预示着AR ToC的一大步。

在AR产业链中，相对下游厂商蓄势待发，上游光波导模组制造商极度短缺，由于技术工艺极度精尖复杂，世界范围内拥有量产能力的光波导模组供应商可以说是凤毛麟角。而对于光波导之于AR产业的发展，行业人士又有什么样的见解？

本期MAD Gaze荣幸邀请了三位资深光学专家，共同探讨光波导的现状、应用与未来发展趋势。

浅谈光波导的技术应用与发展

（从左到右）

1号嘉宾：焦亚超 | 耐德佳CMO

英国格拉斯哥大学硕士。曾任职某上市公司驻美代表，在硅谷运营科技创新企业孵化器。17年加入耐德佳，带领市场销售团队服务全球500强企业，并拿下多家大厂量产订单，是业内为数不多具备数千万级AR光学项目经验的销售带头人。

2号嘉宾：郑昱 | 灵犀微光创始人&CEO

毕业于北京大学量子电子研究所。专注于增强现实AR光学显示技术的研究，已获近50项国家发明专利，秉承着让用户使用AR眼镜可实现应用场景同时体积形态又跟普通眼镜一样的理念，致力于推动光学显示技术创新、消费级AR变革发展。

3号嘉宾：周明 | MAD Gaze光学专家

在中国科学院上海光机所获得光学工程博士学位，先后在中国科学院上海技术物理研究所，中国电子科技集团公司任职。目前主要从事基于近眼显示技术的几何光学和衍射光学组件开发。

Q：作为AR底层技术，光学显示一直是消费级AR产品的核心。目前市面上多种光学方案并存，从棱镜、自由曲面、到BB，再到光波导等，未来哪种光学显示方案将成为主流？为什么呢？

焦亚超：这里要界定一下，未来是多久，5年、10年、还是20年？如果以5年为准，5年以内消费级AR产品光学的主流是“自由曲面棱镜”。5年以后，我猜测可能是自由曲面+波导。首先，自由曲面，不单指一种AR光学产品形态，而是一种高级的光学面型描述，可以应用在几乎所有的光学产品中，用于提升光效、缩小体积、提升显示清晰度等。例如8月10日小米发布会上，摄像头技术就应用了自由曲面技术。如果还有AR光学公司讲自由曲面是落后技术，就有理由怀疑这家公司的专业度。

消费级AR光学产品，所谓“消费级”，基本要求是外观轻薄+续航长+成本低+可大规模供货。上述几个要求对应光学模组而言，就是“厚度薄”（这里很重要，不能只看光学镜片的厚度，要看整个光学模组的厚度），“光效高”（决定是否可以做一体机，以及续航够久），“成本低”（光学模组元器件是否涉及独供）及“可量产性”（光学模组系统是否复杂）。基于此，目前结构轻薄且造型接近普通眼镜的自由曲面棱镜，就具备如上四个特性。

至于5年后，还需要看未来3年的技术进步水平，如果没有实质性的突破，理论上未来还要再等等。

郑昱：现在世界范围内的光学显示技术已经经历了好几个阶段的变革，目前市场上比较成熟的光学显示方案包括棱镜、自由曲面、BB以及光波导方案，前三种方案在体积、视场角、透明度上并不能使AR眼镜成为轻量化的产品，而且影响穿戴体验感。而光波导可以解决视场角和体积之间的天然矛盾，不论从光学效果、外观形态，和量产前景来说，光波导都具备非常好的发展潜力，很有可能会是让AR眼镜走向消费级的不二之选，我们灵犀微光一直在光波导技术方面深耕，在光波导领域也已经突破多项生产工艺难题。

周明：目前市面上大部分产品是棱镜和BirdBath产品,例如MAD Gaze推出的GLOW Plus等产品。这种产品具有大视场，色彩鲜艳等特点。适合于阅读，影视观看等领域应用。光波导方案可以有效的降低产品镜片厚度，减小重量，使得AR产品更像一款传统眼镜，并可以实现近视矫正功能。将会是2-3年后的主流近眼光学显示方案。主要应用场景包括导航，信息交互，专业绘图设计等。

Q：光波导主要存在两种类型，阵列光波导和衍射光波导，两种光波导的优缺点分别是什么？相对其他方案，工艺和技术突破点在哪里？

焦亚超：波导的优点是透过率可以做的比较高，厚度薄，形态上更接近眼镜，但是缺点也非常明显。阵列波导对加工工艺要求非常高，几乎不可能完成高品质的量产。图像会由于不同反射面之间的拼接导致割裂的条纹。光学级玻璃材质的可靠性不高，无法通过跌落、震动等检验。

衍射光波导的彩虹纹现象是由光学设计原理决定的，目前没办法完全消除，因此彩色显示效果有待进一步提高。

郑昱：在整个光波导技术方向上，我们可以把光学方案分成两个方向，一个是和我们主要的海外竞争对手Lumus为代表的阵列光波导，它因其具有轻薄、透光率高、视场角大的优势很受行业青睐，阵列波导生产的工艺是成熟光学加工工艺，如镀膜、抛光、胶合等。这些工艺在的镜头行业和光通信行业中已经广泛使用并且年出货量都在百万量级以上，相应的设备如镀膜机、多轴抛光机、铣磨机等都相对成熟且绝大多数可以完全国产化。

但是，要制备性能优良的阵列光波导镜片对于抛光的精度、复杂膜系制备、光学贴合能力都有要求，必须要在传统工艺基础上有持续的突破性的创新，否则会有重影等显示效果缺陷以及带来的产品一致性较差的问题，从而影响量产化生产，这对国内多数厂商来说是难以逾越的障碍，因此国内普通观点认为阵列光波导难以量产化，因此研发波导片更多的是提高良品率，提高产能，更进一步降低成本，更有利于未来2C发展。

另一个方面就是以微软和Magic Leap为代表的衍射光波导，它具有大视场角和大眼动范围的优势，但是衍射色散导致图像出现“彩虹”现象和光晕，其微纳加工工艺难度非常大，设计门槛高。

周明：阵列光波导和衍射波导具备相近的光学成像原理，其光学设计思想均是光束在2-3mm薄镜片内全反射传播，遇到光学元件后反射进入人眼。阵列光波导采用反射镜阵列作为出瞳元件，而衍射波导采用光栅阵列出瞳，这两种元件都是常见光学元器件。反射镜阵列具备无色差，亮度高的特点，目前已经得到一定规模的量产。衍射波导具备分辨率高，容易复制生产等特点，但是色差问题限制其在彩色领域应用。

Q：目前光波导技术想要量产存在的最大难点在哪里，如何提升良品率？

焦亚超：阵列波导对胶水和玻璃材料的折射率匹配度要求很高；对玻璃切割面的平行度及胶合后的平行度要求很高，超出现有的工艺水平。

衍射波导的量产没有大问题，比阵列波导相对更容易，可以用半导体集成电路工艺实现，但是需要投入大量的昂贵设备，门槛较高。据悉某家厂商为Wave Optics 的量产投入了上亿美金，进行设备采购和工艺研发，但目前没有实现突破。

郑昱：目前光波导在量产方面存在的最大难点是无法保证良品率。要想提升良品率首先要找出决定良品率的关键因素，光源系统是一个复杂的系统，有各种因素会混合在一起，如果出现了一个次品，很难发现是什么原因造成的。我认为提升良率最重要的是需要在工艺上需要一些创新性工艺方法，2019年我们灵犀微光建设自己的光波导生产线，具有完整的从光波导片到光波导模组的制备能力，从源头上解决阵列光波导的良率难题，数值上可以达到85%以上良率，未来随着工艺精度提高，这个数值可以达到95%以上甚至更高。

周明：正如上面所分析，衍射波导和阵列波导中的核心元件光栅和微反射镜都是常见的光学元件，研发不存在障碍。量产阵列波导相对难度较大，目前还没有好的方案解决多个反射镜拼接的工艺效率问题。衍射波导如果不考虑色差，做单色镜片量产相对容易。如果考虑彩色则需要至少2组波导片组合，并对图像色彩合理分配，这对光学设计和工艺提出挑战。

Q：在光学模组的研发和市场商业化应用方面，你有什么样的看法呢？

焦亚超：当前，不同的光学模组都有自身的短板，目前没有一款能做到各方面指标都均衡。所以，要针对不同的应用场景进行开发。同时，其他光学模组产品也具有自身特性，满足某些垂直领域商业化的需求，当然，前提是能大批量稳定量产的情况下。

郑昱：光学模组的研发道路还是漫长而曲折的，总体来说应用市场也比较匮乏，AR眼镜目前主要应用于工业、制造业等B端行业，2-3年后在消费级C端会出现一个爆发期。比如目前灵犀微光在B端应用合作项目中已经在使用的AR+红外，可以为防疫检测提供很大帮助，AR结合语音识别，为聋哑人提供和正常人交流的辅助等等，未来AR光波导技术将实现商业化落地，通过产品化覆盖产业链下游更多领域，实现消费级AR等场景的无限发展。

周明：光学模组的研发和市场商业化应用未来3-5年仍然应该以功能型产品为主。例如解决某些行业应用的痛点和部分显示技术，针对不同应用场景开发不同的光学模组。例如对于影视和阅读等的需求可以开发棱镜和BirdBath产品，针对便携应用需求可开发波导模组。

Q：随着光波导方案的不断探索创新，你们认为光学显示的理想终极形态是怎么样的？主流实现这个方案需要多长时间？这给AR眼镜产品带来了怎样的想象空间？

焦亚超：我想，理想终极形态是“让AR眼镜看起来像普通眼镜，具备更多的工业设计和时尚因素”。时间上，先说个5年吧。至于AR眼镜的想象空间就很大了，未来AR眼镜将正式接棒PC和手机，成为最新一代的人机交互平台。

郑昱：我认为未来AR眼镜理想终极形态是外形方面如普通眼镜，并且显示要和我们日常看到的世界别无二致。目前，苹果正着手布局AR眼镜，预计未来3年内会发布更接近普通眼镜的AR眼镜，这势必会是AR眼镜C端的爆发点，我们期待Apple Glasses的早日问世，同时也会紧跟这些厂商的技术方向，为他们提供技术支持，体现我们的技术实力。未来某一天AR眼镜体积小、视场角大、清晰度高，不再是一件高端奢侈品，而是人人都可以买得起的普通商品。

周明：未来光学显示技术应该是集成便携，彩色，大视场，3D，交互等多种功能的形态。理想终极显示形态可能是AR眼镜，也有可能是目前尚处于概念阶段的便携式全息投影技术，或者视网膜投影技术。人眼是获得外界信息的主要手段，如果AR眼镜能补充现有大多数的显示技术，例如手机屏幕，电视屏幕，电子书屏幕等。并在此基础上开发出更多的功能和应用，将会是显示技术的一次技术更新，同时带动电子产业升级，推动新消费。

Q：目前海内外AR光学显示供应商中，你们认为有哪些同行拥有目前为止最top的光学方案？国内光学供应商整体处于什么发展阶段？未来该如何加快布局深耕全球市场？

焦亚超：最TOP的光学方案，波导方向应该是HOLOLENS自研的光学方案；自由曲面棱镜方案应该是耐德佳即将推出的“自由曲面钻石NEDFDB049038AHP”；BB方案应该是耐德佳为联想定制的BB方案。

从研发角度来看，国内光学供应商处于全球一流水平，并处在快速上升期。从稳定量产的角度来看，处于两级分化的局面。因为大厂的入局，其对供应链的管控极其严格，想进入很难，目前除了水晶、舜宇等传统大厂以外，仅有为数不多的AR光学供应商能进入。耐德佳目前已经成为联想、富士康、BOE等大厂的正式量产供应商，并间接进入海康威视的供应链体系，从去年底开始，为品牌大厂进行稳定批量供货。

在未来，AR光学的研发要打破现有的传统思路，自由曲面、波导等光学技术要紧密结合，发挥各自技术的优势融合成为一款性能均衡且量产性强的AR光学产品。

郑昱：像国外Lumus、Wave Optics，国内百度、华为、联想等等他们在光学显示方面均有比较不错的成绩。眼观当下，国内光学显示技术还是不够成熟，整体国内光学供应商还处于比较基础的探索阶段。我们灵犀微光自成立初便主攻核心器件光学引擎，致力于为企业用户提供消费级AR核心显示技术和光学解决方案，未来我们也一定会紧跟国外大厂的技术方向，加快自身的创新能力，在AR全球市场上立足。

周明：目前在AR光学显示技术方面，光波导是研发主流，棱镜和BirdBath产品是应用主流。目前MAD Gaze公司推出的棱镜和BirdBath产品已经是国内外的同类一流产品。在阵列波导领域，目前国际上LUMUS公司具有量产能力。衍射波导WAVE OPTICS，SONY，苹果等公司已经开展了多年布局。国内光学供应商整体处于初步发展阶段。未来应进一步开发应用场景，解决某些行业现有显示技术的痛点，开发相应产品，逐步推广应用。

后记：

光波导模组作为目前新型高端光学器件，其研发量产与良品率提升需要多年的技术积累以及漫长的工艺研发周期。每一次技术的难点突破或投融事件，都会引发产业链上下游集体注目。「更轻、更薄、更接近普通眼镜」的AR眼镜形态是业内对AR ToC未来爆发的基础共识，而光波导则是推进AR市场化过程中的关键一环。而今年，MAD Gaze即将推出第五代自研光波导AR智能眼镜，在AR ToC赛道更进一步，敬请期待。

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