文/VR陀螺 来福
2021已经过去了大半,与此前VR陀螺FBEC大会上各行业嘉宾预测的类似,上半年VR主流发展目标明确指向消费级,包括HTC VIVE、Pico等在内的头部厂商着手组建内容生态,市场表现上,根据 VR 陀螺数据显示,SteamVR 的会话数量达到 1．04 亿次,平均每场会话时长达到 30 分钟。
而AR方面节奏比较稳定,诸如影创科技、影目科技、爱普生等厂商推出新升级的AR眼镜,但在技术和生态的进展上,对比VR略显缓慢。摆在AR发展面前,仍旧是一个公认的问题:光学方案。光学方案可以说是AR发展的“根”,它直接影响到AR眼镜重量、大小、显示效果乃至定价等多方面问题。
目前AR的光波导方案主要是几何光波导和衍射光波导,其中衍射光波导被视为可能最适合消费级市场的解决方案,包括Magic Leap One、Rokid Vision以及HoloLens一代等都采用的是衍射光波导方案。而衍射光波导方案光栅类型又分为表面浮雕光栅和全息体光栅,前者因为微软等实力厂家的参与更靠近量产,而后者因为材料、生产等多种障碍并没有成为主流。
1 波导方案原理图(图源:网络)
2 二维光栅波导原理图(图源:网络)
虽然,目前国内在研究全息体光栅技术AR厂商并不多,但根据VR陀螺了解,近期有国产AR厂商光粒科技发布了全新的基于树脂基底的全息体光栅技术方案——“全息树脂光波导”,并导入了量产,该系列命名为Holoresin™。就这套全新的光学方案,VR陀螺与光粒科技创始人及CEO张卓鹏聊了聊,他也为我们带来了全息树脂光波导技术的全面解读。
全息树脂光波导: 树脂基底、树脂镀膜的光波导元件
衍射光波导之所以成为AR光学研究的热门方向,还是来源于其技术优势。相比于几何光波导生产时需要粘合等工艺,使用玻璃基底及镀膜技术的衍射光波导更符合硬件产品对量产的需求。
简单来讲,衍射光波导技术中,不管是表面浮雕光栅还是全息体光栅,都采用玻璃基底+镀膜+在镀膜上加工出光栅的形式。
图源:网络
基于这个理解,我们可以把“全息树脂光波导”拆分成两部分,也就是全息体光栅光波导方案+树脂基底材料+光敏树脂材料。
先看全息体光栅光波导方案,其光学原理就是衍射光波导。如果说几何光波导是光通过立体镜面阵列、棱镜再进入人眼的过程。那么在衍射光波导里,立体的镜面阵列、棱镜等就被几乎平面化的“衍射光栅”所取代。再简单点的比喻,几何光波导中的光,就像人在实际生活里走迷宫,而衍射光波导就像人在玩电脑迷宫游戏,这是从立体到平面的过程。
衍射光波导中,表面浮雕光栅可以理解为通过纳米压印的技术在附着在薄膜层上“压”出所需要的痕迹。而全息体光栅则是通过使用激光激发的干涉图案,曝光附着在基底上的光敏材料上。
结合前面提到使用衍射光波导技术的器件结构(基底+镀膜+在镀膜上加工出光栅),和刚才所说的衍射光波导两种方案的技术原理(纳米压印和全息曝光),我们可以进一步对“全息树脂光波导”有所了解。 所谓“全息树脂光波导”就是在树脂基底、光敏树脂镀膜器件上使用全息曝光体光栅技术制作的AR光学显示元件。
关于全息树脂光波导的优势,光粒科技创始人及CEO张卓鹏表示:“首先是光学的效能比较高,其次,表面浮雕光栅用的是晶圆玻璃基底,还要配合纳米压印技术,对材质和技术的要求都很高。而全息树脂光波导对材质的要求就没那么高,不管是涂层还是基底,都使用树脂。”
图源:光粒
“相对于原先的玻璃材料,换成树脂好处就显而易见了。一是重量更轻,二也更耐摔耐撞。” 此外,张卓鹏也提到,树脂的基于“耐摔耐摔”特性的另一个优势,寿命长。一方面体现在使用寿命长、不易腐蚀上,而另一方面则是由全息体光栅技术带来的。张卓鹏解释说:“纳米压印表面有高高低低的纹路,如果纹路的缝隙被水分或盐分填满,可能会失去原有的效能。”
“全息树脂光波导,表面是平整的,而且有严格的防水封装。所以,即便有水分或盐分,内部的光栅结构不会受到影响。”
但树脂材料相比于晶圆玻璃材料也有相关的限制条件,树脂的表面光洁度和基础折射率都不如后者。对此,张卓鹏表示,树脂材料作为眼镜片已经有将近20年了,生产经验是非常丰富的,有足够符合AR使用标准的树脂材料,而基础折射率的问题,已经通过提高加工工艺得到了解决。
90%以上的良品率 是工艺和成本两手抓的结果
通过以上内容,我们大致了解了什么是全息树脂光波导。不要小看从玻璃基底和其他材料的光敏涂层到全树脂材料的进步,这其中除了大量的科学实验外,还有更多的是投入大量时间、精力和资源的生产“实验”。而根据张卓鹏的说法,光粒科技的全息树脂光波导元件已经能够量产,并且通过既定的量产工艺提升方案还可以将良率提高到95%甚至更高。
从市场的角度看,量产意味着离消费级市场只有一步之遥。VR陀螺的读者,无论是否涉及硬件生产,多多少少知道“量产”对企业意味着什么有所了解。在此前的文章中,我们多次谈到,量产背后是由昂贵机器搭建的生产线、有配合度良好的材料及零部件供应商、有足够的资金和场地保管材料。而最关键的是,产品有了企业能够接受的良品率。
那么“量产”在全息树脂光波导这一项新技术上,又意味着什么呢? 一方面是制作工艺上,全息体光栅的难度更高。
张卓鹏解释说:“目前来看全息体光栅的全自动曝光设备需要企业自己设计,这一点与表面浮雕光栅不同。表面浮雕光栅所需要的纳米压印机器是可以直接从供应商采购,而全息体光栅所需要的全息曝光设备需要团队自行研发,所以难度相对更高一些。”
同时张卓鹏还特别提到,由于光粒科技所研发的Holoresin™系列全息树脂光波导技术目标群体涉及各个领域,包括运动健身等等,所以在封装上的生产要求更加严格。
另一方面是生产成本上,全息体光栅本身的造价高,但光粒科技采用了树脂这一“物美价廉”的材料,反而中和了技术成本的价格。 根据张卓鹏的介绍,全息体光栅虽然可能前期造价高,但相对于几何光波导中的其他方案及表面浮雕光栅方案来说,全息体光栅的产能要高很多。
“表面浮雕光栅是需要纳米压印接触镀膜、压印、定型再取出,单片制造速度慢。而全息体光栅是非接触式的,只需要曝光时间就可以完成,单次曝光时间在1秒以下。”
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“普通消费级电子产品用到的电子元器件价格很低,需求量也很大,所以整体价格就不高。但对于AR来说,特别是AR的光学显示元件的基础价格就很高。我们作为AR厂商,其实就想做好分内的事情,把光学显示这块的成本降下来,让AR眼镜整体的价格不要太高。”张卓鹏说。 此外,张卓鹏在采访中向VR陀螺透露,目前Holoresin™系列全息树脂光波导产品能够达到90%以上的良率,后续很快能提升到95%,这也已经满足了光粒科技对它的要求。
整体来说,光粒科技的全息树脂光波导技术是从技术、成本和生产三个方面,同时突破目前AR光学所遇到的困境,走出了自己不一样的路。但,就像光粒科技一直追求的那样,无论现阶段的产品是面向B端还是C端,新技术总是要走入消费级,才能拥有更大的市场。那么现在全息树脂光波导距离消费级市场还有多远?
瞄准消费级细分领域 AR消费级落地仅需2-3年
前文提到,光粒科技一直以来的目标都是瞄准消费级市场。官网放着 “让智能眼镜成为人类的新器官”标语的光粒科技,在如何将全息树脂光波导技术真正投放进入消费级市场也很有心得。 张卓鹏提到Holoresin™系列全息树脂光波导技术下一步发展计划是,谈到了两个方向,其一是进一步过大产能,其二是瞄准不同的方向。
“关于未来的计划,一方面进一步扩大我们整个产线的一个产能,为即将到来的智能眼镜的流行做好准备。”
“另一方面,我们自己的产品要瞄准不同的消费级的方向,比如普通场景、普通人使用的通用型的消费级产品。还有一些特定场景的消费者,特别是在运动科技健康这种场景上,我们会陆续分别发力。”
张卓鹏介绍到,目前他们开发的使用Holoresin™系列全息树脂光波导技术的AR眼镜重量不超过80g,FOV在最大达45°,800-1200尼特的亮度,对标HoloLens的性能的同时拥有全天候续航能力。 他也坦言,目标虽然很明确,但是也确实会遇到一些困难,这也是整个AR产业在未来要步入消费级面临的问题。比如,目前还在等待其他部位电子元器件的升级、等待更好的AR生态形成等等。
图源:光粒
“比如我们还是要等待更小的光机的量产。现在更小的光机它可能是有一些样品,它的量产可能还需要18个月左右,我们预计到明年年底应该是可以有初步的产品面世。”
“此外,AR的生态内容的建设还是需要一定时间的。如果说,AR眼镜不强调专注AR的内容,而去强调它是一款智能眼镜,那么支持它的计算机生态下的内容已经足够了。但要需要专属AR的内容,确实还需要一段时间构建生态。” 这也是在采访中,张卓鹏对AR产业发展比较不一样的观点,他认为AR并不像很多人认为的需要5-10年才能进入消费级,可能未来2-3年就能够实现。
“大家把这个事情想得比较漫长,不是说没有道理。很多人在提出5-10年这个假设时,想的大而全,比如说AR眼镜一定要达到多少体积以下,消费级生态是不是已经建立起来了等等。这些问题放在一起看,确实需要相当长的时间。但是光从一款‘智能眼镜’流行这个角度来看应该不会特别遥远。”
目前Holoresin™支持单色显示,彩色版本Holoresin™已经进入测试阶段,预计将于明年发布。
