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AR光学发展路径及应用场景分析 | 5G·AR(增强现实)技术应用高峰论坛

VR陀螺 2020-09-18 22:26 发文

5G·AR(增强现实)技术应用高峰论坛上,深圳珑璟光电科技有限公司副总经理杨红孟以“AR光学发展路径及应用场景分析”为主题发表了演讲。杨红孟介绍了AR市场现状、AR光学路径和波导光机形态,以及珑璟光电阵列光波导生产现状。光电阵列光波导具有自身优势,然而其加工难点包括连续多层“半透半反”镀膜工艺、贴合工艺、切割工艺、胶水与折射率的同步等复杂的工艺,珑璟正在致力于解决研发、生产工艺、材料和人才方面的难点。他提出,AR落地需要具有一定的思考维度,需要综合考虑应用场景痛点、产品形态、整机成本和光学方案选择。目前珑璟已经在多场景投入使用AR技术。 


以下是演讲实录。
 杨红孟:
大家好,我是杨红孟。大家都知道AR最近比较火。看整个通讯这块的发展,从80年代开始,基本上是每十年有一个新的、大的行业的配合,从语音通话、 短信和上网做智能手机,到现在5G全面开始。 


后面的话,我们认为就是AR应该是作为上一代的智能手机之后的下一个硬件平台。
他有哪些特点呢?第一个是解放双手,第二是第一视角,通过眼镜上的摄像头,从第一视角来进行拍摄场景。第三是信息数据化、数据可视化,AR眼镜是连接现实世界的可移动平台。随着深度相机、SLAM技术的成熟,虚拟和现实也可以做到完美的结合。最后是交互更具革命性,现在手机的交互很多就是用语音或触控,AR出来以后,实现二维交互向多维交互的转变。 


2020年整个AR市场规模还是比较小,但是根据我们本地的一个统计,在未来几年,每年起码会以这种(上图)速度往前发展。你可以看到2025年全球市场预计是超过600亿美金,在中国的话在19年还是很小,十几个亿,然后到了2025年应该是一个千亿的市场。
目前实际上各大巨头都在布局AR这块,包括苹果、微软、Facebook、谷歌华为,包括甚至OPPO、Vivo可能都开始在部署这块。他们在最近这一两年应该会陆续发行一些面向C端的AR眼镜。 


在AR发展这一块,大家可以看到有很多国家、很多政策正在扶持。 


珑璟光电技术有限公司光电是14年成立的,专门做虚拟现实显示模组这一块。我们现在是做在光学设计和生产工艺方面,在这些方面我们有自己的知识产权,有自己的核心技术。
在国内首先实现阵列光波导的量产和批量出货的,在颜色这块我们也有布局。现在产品已经应用在警用、安防、工业、旅游、医疗、营销等多个领域应用。 
AR光学路径与光学原理 


AR有几个重要的参数,第一个是透明度,光学中指的是进行吸收外界光线的能力。第二个是视场角,即整个视场的大小。而眼动范围指的是画质无衰减前提下,眼球移动偏离最佳视野点的最远距离。下一个是出瞳直径,有些不同的应用场景对出瞳距离是有要求的,比如说我戴着近视眼镜,要保证我能看到这个画面。第五个是光学引擎厚度,就是镜片的厚度,我们现在镜片的厚度大概在1.2毫米,主要是比较接近普通眼镜的厚度。


我们认为,整个光学发展,VR是从离轴光学开始,后来发展到Bird Bath、PBS棱镜,六、七年前谷歌发行的眼镜就是PBS棱镜。还有自由曲面棱镜这块,现在是大家看到的最具有代表的是爱普生的那个BT-300。现在的话慢慢的采用光波导,包含阵列光波导,还有衍射光波导。光波导的厚度会做的比较薄,会更贴近我们目前眼镜的形式。还有未来的前沿技术,我们一些光场的技术,最近还在还是在实验室这个阶段,这个未来五年应该是还没办法落地的。 


接下来我讲下光学路径的比较。大家看到的棱镜这块,它的优点是畸变小,体积小、设计起来还相对比较容易;它的缺点就是FOV比较小,会遮挡视线。你看谷歌眼镜,旁边一个棱镜挡住眼睛,它镜片比较厚,外形是比较难接受的,没有办法做成普通眼镜的形式,意味着在C端是没办法普及的。

用棱镜做的代表性产品是Realwear,主要是重在行业应用,就是类似技术远程支持。还有Google Glass,六、七年前大家看到的谷歌眼镜用的就是棱镜。
还有第二个就是BB自由曲面,又叫Bird Bath,,它的FOV可以做得比较大;体积也还好;设计难度的话相对也是比较简单。但是它有一个缺点就是透光率比较低,大概是25%左右。如果说这款AR眼镜落地的话,我戴着眼镜,在晚上是没有办法看到外面的世界的,因为它透光率太低,而且镜片也会比较厚。
BB设计的话,虽然我们在侧面看着ID做的比较好,看起来比较薄,实际上它是比较厚,整端的话应该超过1厘米。这一块做得比较好的是Epson、耐德佳、Nreal、影创和Meta,
再讲一下阵列光波导,它的FOV也做得比较大,显示效果比较好。目前我们珑璟可以做到FOV在40°以上,50°可能很快也会推出来。
阵列光波导还有一个优点是镜片的透光率很高,超过80%,镜片的厚度是大概做了1.2到1.5毫米之间,我们目前现在做的大概是1.2毫米。
但是它也有缺点,就是光效率比较低,大概3%到5%。还有一个是它加工难度比较高,几十道工序,因为它属于光学冷加工。我们的阵列光波导这块的,目前是有六、七片玻璃堆叠在一起,还有中间要用胶水来粘贴来保证整个镜片的平整度,那胶水的厚度等各方面要求也很高,大概都是以ml(毫升)为单位的,我们需要控制在一定范围之内;并且胶水材料要求很高,折射率要求比较高,在这个行业里面呃代表了除了珑璟,Lumus是这个行业的鼻祖,以及我们的友商灵犀、理湃也在做着一块。
再下一个是衍射光波导。衍射光波导的FOV会做得更大,还有Eyebox可以设计得很大,以及半导体工艺极限成本比较低,类似用印刷的技术把它印出来,它代表了未来的方向。
但是目前的话还有一些缺点没有办法去克服。一个就是衍射光波导的均匀性,还存在一些鬼影跟倒影。另一个就是材料方面,应该还有一些瓶颈,比如材料难找,设备贵,生产工艺难。 在光学路径这块,我们珑璟光电主要集中在阵列光波导。目前已经解决了一些工艺的问题,并且我们目前已经能进行大批量出货。我们的阵列光波导这块,有两种设计路径。第一个是用光路折射的这种方式: 


第二个是如果光路没有折射的话,光直接过来然后放大,直接投射到镜片上面。这是我们的一款产品: 


那这个原理是什么呢?
就是光线侧着打过来时候,中间经过一段像光纤一样的全反射,然后到人眼面前就把它释放出来,到眼睛里。



 工序上,一般需要对玻璃进行切割,切割成很多的棱镜,然后再进行研磨抛光,再对棱镜镀膜,最后再把它做胶合。



每一道工序可能都会有很多需要解决的问题。像镀膜这块是一个很关键的工艺,因为阵列光波导里面几个竖的条纹,实际上就是几个棱镜在里面,每个棱镜镀膜的数量是不一样的,每个可能要镀膜二十层到八十层。还有胶合这块,我们是要一个个把它贴合在一起,贴合时候每一层胶水要在1ml以内,所有工艺要求极高。阵列光波导最快的镜片加工应该属于微纳制造的范畴。
这就是阵列光波导加工的一些难点,也是大家认为光波导不能量产的原因。

珑璟的AR生产布局:建设相关产业基地 


但经过我们这几年的努力,珑璟光电现在在阵列光波导这块的产能增长率,应该在行业的前面。目前,我们的阵列光波导的波导片的产能大概是20K,整个模组的组装大概是10k/月,良率我们现在已经超过了50%;在八月份,我们新的产业基地已经开业了。 现在产能已经不是我们最大的瓶颈了,因为我们已经把整个生产工艺的问题给解决了,只是说现在的订单还没那么多。如果后面客户有更大的需求,比如C端起来,我们只需要设备的时间跟人员培训的时间。 


2018年,我们成立了中试线,那时候大概两千五百平米;在今年的八月份,8月18日开业了,在深汕投资区,这时候是16000平米的产业基地。在我们的计划,明年可能可以见到我们的产业园。当然这个是要根据行业的发展,再重再扩我们的产线。 


我刚才说的衍射光波导这块,本身还有材料、生产工艺等一些难点在里面。因为衍射光波导是类半导体的工具,设备很贵,工艺也比较新,在行业里面这方面人才、光学设计的人才也非常少。
珑璟的布局是,目前和湖南大学建立了的微纳制造中心。在西丽,我们投了两千万建了一个微纳制造实验室,为未来衍射这块做准备。我们本身也是微纳制造促进会的创始会员。
另外,我们会在欧洲建立的研发中心。因为欧洲的光学在全世界是领先的,国内跟欧洲那边比,在光学这块差距还是挺大。  AR场景应用:G端到B端为主,C端缓慢 


AR在这个行业里,我们把它分为三大类。第一个是极G端测试,给军工这块用的,还有B端就是应急、公安、海关、医疗、教育、工业、物流。C端的应用在于一些行业巨头,比如说苹果、微软、Facebook、谷歌、华为,甚至Oppo和Vivo。我们认为两年内最快的落地的大概是G端到跟B端,C端的话可能还要一点时间。
今年的话就是酷派。我们认为酷派今天发布的产品(xview)是AR行业的一个里程碑,让大家知道C端的产品也可以这么去用、可以这么去设计。 


这是在G端军工方面的应用。像这个头盔(上图),我们看到美国大片上面的空军、坦克手也戴着这种头盔,现在用的就是类似这块的技术。 在AR这块落地,大家都知道AR是一个未来的一个风口,但是可能需要一点时间,比如进入C端。大家要进入这个行业里面、去做产品、要怎么落地,虽然我们看到远水,但也要解近渴。 
AR落地思考维度:场景、产品、成本、光学方案


在做产品设计的时候,我们需要从这几个维度去思考这些问题: 第一个是应用场景。像刚才我讲的,B端跟G端的产品可能会比较快落地,那落地场景这块,我们做一个产品的时候要分析,关于每个场景具体的痛点是什么?
第二个是还有产品的形态,我们是做头盔的形式?还是头箍的形式?还是眼镜的形式?这几个产品的形态各有优劣。从体积、功耗方面去考虑,做成单人的眼镜还是有难度;而头盔可以做成一体机,算力都放在放在头盔某一个部位的话,就可以解决这个问题。
头箍也是一个形式。因为如果把很多的工作放在眼镜上会比较重,如果单独去戴眼镜的话,可能会戴着不舒服,那就可以用头箍的形式分担这个力。
眼镜形式也可以。作为一个轻量级的应用时,就可以用眼镜的形式做成无线,酷派的xview就是很典型的例子。只是作为信息提示,不做那么重的一个产品,我们就可以做成眼镜的形式。
第三个是整机的成本。不同的行业对价格的敏感度是不一样的。类似公安体系这块,他可能几万块钱,甚至几十万、上百万的头盔也能接受。
所以我们在做产品定义的时候,我们在成本方面去考虑。C端的产品的话,我认为酷派的价格定位还是比较合理的。如果是超过四、五千块钱的轻量级应用,基本上是很难卖得动的。
除了考虑这几个维度,还有光学方案。我们在针对不同的应用场景,要考虑FOV做多大的。有些应用场景是不需要那么大的,比如作为信息提示,可能20°就够了,相当于是有个二、三十寸的屏,基本上已经够了。
关于对比度和光度,不同的场景对对比度要求是不一样的。如果我要做骑行的头盔,对比度一定要很高,至少不能阻挡我的视线,比如晚上开摩托车的时候,我要通过头盔看到现实的世界是什么样的,如果对比度不够的话,晚上根本没法拍,容易出事。还有亮度,室内跟户外亮度的要求也是不一样的。
关于出瞳距离,有一些应用场景,比如说在文旅这一块的产品,类似租用的形式,就对出瞳距离要求很高,因为我本身带着眼镜,如果出瞳距离不够的话就没办法用。
关于功耗和重量,比如说Micro-LED的功耗跟LCoS功耗有很多倍的差距。而重量上,日常经常佩戴的重量是怎么样的,也会有要求。 我现在就讲一下具体的应用场景。这些是我认为在这个市场里面比较刚需的应用场景,供大家参考。


我们认为消防头盔是一个刚需产品。我们最近也有多个客户切入了这个行业,它的痛点在于消防的人员不足,然后专业勘探员培训周期非常长,火灾的现场,浓烟高温、现场安全信息获知受影响。需要现场查找火点、勘验识别、搜集整理、监督或辅助决策,以及如何增强消防人员的人身安全,如队伍位置、空气、温度等各项信息呈现,这些都是痛点。
实际上在一些火场里面,很多的信息通讯方式是失效的,比如说对讲机基本上是失效了。那唯一能实现的,是在自己在眼睛面前呈现出来的视频。
那在消防这一块呢,在呼吸面罩、消防头盔上面,把热成像的摄像头,还有毒性的传感器、边缘检测这些东西全部都加上以后,对于整个消防作业的速度会提升很高,以及提高安全性,减少损失。 


下一个是警用头盔,这次疫情期间,出示二维码和车辆检测进行体温测量的效率是比较低的。如果做成一个头盔,通过红外成像、可见光摄像、数据通信模块作业,在头盔里一眼就呈现出来体温情况。
关于车牌识别,还有人脸识别。信息这一块在公安体系里面也是一个刚需的产品,关键是我们怎么做出适合使用的一个产品。 


关于远程协助。虽然说现在只是列举了汽车行业,实际上在工业中应用非常广。我们可以以第一视角来看某一个画面,而技术支持公司在后台,或者在任意的地方也同时能看到,这样就可以实时指导现场人员解决问题,使得效率大幅度提升。 


关于听障方面的应用,我们认为也是一个很大的市场。如图(上图)显示,我们现在用的是棱镜,虽然我们认为光波导可以做得更薄。听障人士戴着这个眼镜,里面有麦克风阵列,还有语音识别,它可以转换为文字,展现在眼前。这个眼镜其实除了我们刚才助听这块以外,还有很多的应用场景在可以用到,比如云会议,可以同声传译,变成文字显示在眼前。 


关于骑行头盔。骑行时候是没办法导航的,我也看不到那么多信息。现在的话,我们有些客户关注到了这个领域,他们把仪表上面的一些信息,包括运动的心率、节奏速度等全部在头盔上展示。 关于珑璟光电产品线



珑璟光电在整个阵列光波导领域布局了很多的产品。比如说40°FOV用的是LCoS,分辨率为720P跟1080P。我们现在从1080P,到反推下来640x400等各种分辨率,都会针对不同的产场景有不同的一些需求。
未来,从 Micro-LED、OLED到LCoS,甚至会有Micro-LED的产品出来。我们现在跟世界知名的国内Micro-LED的厂商在合作,估计年底我们会发布一款小拇指这么大的光机。
在衍射光栅波导部分,我们现在也有在做一些布局,预计在十月份、十一月份单色的产品会出来,在年底或者明年Q1会出彩色衍射光栅产品会出来的。
在整个产品布局中,我们不断和客户交流,客户需要什么,我们做什么,因为我们有自己的设计能力。我们一款产品经过大概两、三个月的设计,可以达到量产的程度。
我大概就讲这么多,谢谢大家。 
 

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