文/VR陀螺
“有衍射波导吗?”“能二维扩瞳吗?”“能量产吗?”“消费端AR什么时候起量?”
这是今年许多光博会参会人员去AR展台的灵魂四问,一位从业者跟陀螺君吐槽道。 就在光博会开始前几日,小米发布AR概念机,再次将市场对AR的关注度推到新高度。这种狂热,在今年VR陀螺联合光博会举办的第二届5G AR(增强现实)技术应用高峰论坛上显露无疑。现场观众爆满,门口被围得水泄不通,许多人席地而坐,认真听嘉宾分享干货。
相比往年阵列光波导大行其道,今年似乎光学公司不拿个衍射波导的产品出来都不好意思参展了。所以,几乎相关展台衍射波导都成为标配。 而由于前期筹备论坛,陀螺君终于赶在展会的最后一天扫了一遍展台,也观察到一些现象(由于展会规模太大,可能会有遗漏,可联系VR陀螺补充)。
衍射波导成主流,技术究竟发展到了哪一步?
作为全球最大的光电展,今年光博会已迎来第23届,现场八大展馆,共计16万平几乎塞得满满当当,据了解明年展会还将持续扩大至20万平。 今年光博会共计六大展,包括信息通信、精密光学&镜头及摄像模组、激光技术及智能制造、红外技术及应用、智能传感、光电子创新展,涵盖光通信/信息处理及储存、消费电子、先进制造、国防安防、半导体加工、能源、传感及测试测量、照明显示、医疗等九大应用方向。 其中精密光学、摄像头、传感器、激光红外技术都与VR、AR息息相关,甚至可以说,要研发制造一台VR、AR设备,在这个展会上可以找到设备需要的所有的元器件供应商。而每一年的光博会,也是了解最新的光学技术发展的最佳渠道。 由于参展商达数千家,涉及到特别多底层元器件,所以VR陀螺跑会主要以跟VR、AR有直接关联的光学方案、整机企业为主,现场共12家相关企业(可能有遗漏),包括至格科技、水晶光电、舜宇光学、琨游光电、珑璟光电、灵犀微光、理湃光晶、谷东科技、耐德佳、奥提赞、首镜科技、多普光电,其中多普光电为VR光学方案提供商(评测丨多普光电超短焦VR光机:高清+健康舒适的视觉是核心),耐德佳也展示了最新的VR短焦方案。
整体来看,今年最大的变化是几乎所有AR光学方案企业都带来了最新的衍射光波导产品,包括至格科技、灵犀微光、水晶光电、舜宇光学、珑璟光电。
图源:VR陀螺
衍射波导相对于阵列波导,两者各存在优劣势。在工艺方面,阵列由于采用光学冷加工工艺,多片光学玻璃切割、铣磨、镀膜、胶合、抛光,所以在量产性和良率方面有天然劣势,而成本也难以随着规模化量产实现指数级递减;相应的衍射波导由于采用半导体加工工艺,纳米压印后进行切割、贴合、封边,所以不论是量产性还是产品良率都能有更好的保障。 在显示效果方面,阵列波导有更自然的彩色显示效果,但是二维扩瞳相对衍射波导更难,在出瞳边缘易出现图像畸变;而衍射波导目前仍然面临色散(颜色不均)的问题,现场展示的所有衍射产品中多多少少都存在色散,只是现在效果已经比之前好很多。 据至格科技创始人孟祥峰介绍,“色散就是彩色均匀性问题,无论是阵列还是衍射都会有色散问题,阵列的采用镀膜原理,严格来说应该叫色差,在几何光学里面色差可以做得非常小,可以忽略不计,所以颜色看起来比较真实。但是衍射的色散是一个比较大的挑战,其结构的特征尺寸与光波长相当,光在衍射波导表面发生衍射,而不是普通的透射或反射,所以它对波长非常敏感,不同波长的光在光波导内的传输路径都不一样,要保证不同波长的光以同样比例的能量出射才能恢复成彩色,这是非常难的,但并不是不能突破。” 而对于要如何来测量色散,孟祥峰提到了两种维度,均匀性的指标有两个,一个是静止不动的FOV均匀性,一个是眼睛来回动Eye-box范围内的均匀性,这两个是不一样的,FOV均匀性和Eyebox均匀性都要做好。 “从原理上来说,衍射波导的彩色均匀性就是对不同波长、不同角度、不同位置的光的整体呈现。光栅是一个需要基于严格电磁场理论去仿真设计的东西,光栅结构的特征尺寸、周期、线宽都是与光波长相当的,所以光对它来说不是一条条光线,而是一个个电磁波,所以是一种波动光学。光栅是具有周期性纳米结构的光学元件,每一个周期不要特别复杂,比如二维的可以是一个个方孔或者一个个圆柱,一维的可以是一条条线,截面可以是三角形或者平行四边形。如果二维光栅结构可以做得特别复杂的话,比如每一个周期是一个笑脸,那可能会产生新的光学性能。”
孟祥峰表示,虽然衍射波导的设计和生产很复杂,但随着产品迭代和工艺成熟,是完全可以形成标准化可控的工艺的。 整体来看,目前衍射波导的量产工艺并不是最大的难题,除了色散之外,实际上如何将功耗往下降也是现在面临的重要问题。 “要往下一步走,提升衍射波导的整体性能,本质方法是提高光栅材料的衍射能力,也就是提高材料的折射率。”在清华做了20多年光栅,由清华孵化的光学团队至格科技,创始人孟祥峰说衍射波导的底层技术是光栅技术,很多海外的叫光栅波导,更确切地说是表面浮雕光栅波导,国内叫衍射波导,虽然属于衍射,但衍射波导下面还有另一种是体全息波导。现代光栅技术已经历数十年发展,实际上目前国内的技术并不逊色于海外。 衍射波导在这个时间点有了突破,同时还得益于Micro-LED屏幕技术逐渐开始成熟,并进入小批量量产,相比现有的DLP、LCOS、Micro-OLED,其不仅能够获得更高的亮度,据了解JBD的单绿色屏幕最高亮度可达400万尼特,蓝色与红色在材料端仍存在问题,目前分别为60万、20万尼特左右,而现在的OLED屏幕最高5000尼特;同时在功耗上也比其他要低数十倍。所以此次小米的AR眼镜也是使用的Micro-LED单绿色屏幕。
图源:VR陀螺
衍射波导的质变——超表面?
在本次光博会上,除了衍射波导之外,另一个词也频繁出现——超表面。 根据百度百科释义,超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超表面可视为超材料的二维对应。 在VR陀螺和光博会主办的第二届5G AR(增强现实)技术应用高峰论坛上,亮亮视野创始人吴斐也在演讲中提到了超表面,据称其目前已经研发出超表面单片三色光栅波导AR光学模组。 微软HoloLens 1采用了3层波导,第二代升级为2层波导。3层波导的工作机理是3层分别传导R、G、B的光,通过同一个出瞳出射进入人眼,并在人眼中叠加成彩色。2层波导通常是一层传导R+G,另一层传导G+B,也可以在人眼中叠加成彩色,但需要衍射波导具有更大的工作波长带宽,能同时传导R和G或者G和B,这对于衍射波导的设计、生产工艺以及材料本身的折射率都提出更高要求。 至格科技现场展示的是2层波导片合成的方案,从3层降到2层核心是降低成本,同时也能让波导片更轻薄。而如果要进一步做薄做轻,降到一片是必然。 “1片全彩的衍射波导首先就需要材料折射率非常高,通常至少要在2．0以上。在波导的设计上,也需要引入更复杂的构型和更复杂的微纳结构,就是把光栅设计高度复杂化,宏观上不同区域的光栅参数可以不同,微观上的光栅结构也可以做的非常不规则,这样的光栅就是超表面。”
超表面——也就是上文提到的材料的突破,衍射波导质变的核心。 孟祥峰提到,“超表面,即Metasurface,通过微纳结构实现传统光学材料不能实现的性能,比如一个镜头要实现长焦需要多片透镜,体积会变得很厚很大,但是如果在一个平面镜片上做很好的微纳结构来控光,来实现一个长焦的功能,就能实现更小更轻薄的效果。 去年哈佛曾经公布一款新型镜头,其被哈佛研究员称为“Metalens(超透镜)”,超镜头非常平坦,表面覆盖极其微小的物理图案,通过巧妙的数学运算,这些图案拥有透镜的能力,但整个镜头却极其轻薄。
孟祥峰表示,超表面所带来的最大的优势是轻薄,比如手机上突出的摄像头模块,是由于内置了4、5片摄像头镜片模组,如果把里面2、3片替换成超表面,就可以完全把摄像头做很小,甚至是微距的镜头一个超表面透镜就可以代替。 超表面在设计和生产工艺方面都有相当高的难度。在设计方面,由于超表面结构非常复杂,其仿真计算量非常大,有些甚至需要引入超算。在生产工艺方面,高度复杂的微纳结构需要高精度、高灵活度的微纳加工工艺;同时由于需要采用超高折射率的材料,材料硬度很高,大批量生产难度很大。所以该技术目前仍然处于研发阶段,设计、材料、工艺等方面的问题仍未解决,相对来说其成熟度远不及光栅。但是作为衍射波导的下一步,许多企业已经提前布局。
光博会VR、AR展商汇总
1、至格科技
来源:VR陀螺
至格科技此次在展会上展示了2款衍射波导新品——TDDW40Plus和SIDW33,分别为全彩显示和单绿显示。 全彩显示的TDDW40Plus拥有40°视场角,采用DLP方案,Eyebox达到23*20mm,据了解是目前Eyebox最大的光学方案,入眼亮度200尼特,厚度2．1mm。
单绿显示的SIDW33采用JBD的Micro-LED屏幕,视场角为33°,Eyebox为10*10mm,入眼亮度220尼特,透过率大于85%,整体波导片比较轻,仅10g。
据了解,其核心团队来自清华大学精密仪器系,成员包括教育部长江学者、国家杰出青年基金获得者、清华大学教授和博士。据了解,其依托于清华大学二十余年的光栅领域科研成果进行产业转化,自主掌握“光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产”三大核心技术,拥有功能完备的光栅母版加工中心和衍射光波导产线,致力于AR衍射光波导光学显示模组及衍射光栅的研发、生产和销售。
2、水晶光电
水晶光电成立于2002年,是一家聚焦光学领域的公司,经过十八年的发展,成为涉及五大产业板块的研发与制造企业,产品包括光学元器件、生物识别、薄膜光学面板、新型显示、反光材料等。
图源:VR陀螺
水晶光电现场展出了多款光学方案的AR眼镜产品,据称水晶光电设有研究所,整合公司资源,从研发到组织到生产到工艺都集合起来,目前棱镜和BB光学方案的AR产品已有完整的量产线。
今年更是推出了衍射光波导方案,全息聚合物体光栅技术,基于衍射光学成像原理,实现图像信息的传输。其中有两种颜色方案:单色与彩色,彩色波导片一共4层,其中有2层波导,整体重量40多克,波导片厚度不到1mm。
3、舜宇光学
图源:VR陀螺
舜宇光学创立于1984年,是将光、机、电、算技术综合应用于产品开发和大规模生产的光学企业。据了解,目前舜宇内部从事AR相关的主要是两个板块,两个部门之间完全独立互不干扰,同时也是合作关系。一块是专注于光学技术研发的舜宇光学,在现场展示了其最新的衍射波导方案。 据了解,该衍射波导光机采用LCoS显示,分辨率为720P,视场角40°,出瞳距离25mm,单片重量为7．4g。
来源:VR陀螺
另一块是舜宇中央研究院,其主要做整机方案,现场展示了AR905以及AR906整机方案,同时还展示了采用了鲲游光电的波导片与JBD结合的单绿衍射波导模组。
单绿色波导片无论在亮度、透光率以及显示效果上都非常不错,不过当眼睛上下移动的时候,能看到屏幕稍微有一点点波动的感觉,也就是Eyebox的均匀性仍然无法做到毫无瑕疵。据称光路的不同或微小结构的变化都会导致这种情况出现,人眼在移动的时候,有很多微小结构在不停地跳动变化并整合重组,所以在视觉上就会有这种感觉。
期待一种新的材料或者新的工艺,现在最有可能的是某些材料出来,产生一些质的变化,那样的话光学效率会更高。但现在不同的公司采用的工艺不一样,不能通用,需要一段时间形成常规的标准化。
4、鲲游光电
图源:VR陀螺
鲲游光电是一家成立于2016年的公司,是专注于晶圆级光学的高科技企业。目前鲲游光电重点关注以下三类产品系列:增强现实(AR)显示光波导、3D深度成像微纳光学芯片、光通讯高速光链路。
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陀螺君在现场体验了采用扶摇系列方案的视网膜型全息光栅AR光波导,配合工业级应用场景的AR头盔,数据表示,扶摇系列AR光波导拥有全彩40度视场角,可通过语音指令进行操作,解放双手。
5、珑璟光电
图源:VR陀螺
珑璟光电成立于2014年,其衍射光波导产品研发生产全流程均自主完成,衍射光栅设计依托于自主知识产权,采用自主开发的衍射波导辅助设计软件,自主创新的微光栅结构以及架构设计。
图源:VR陀螺
珑璟光电在会上展示了一款全新的二维扩瞳阵列光波导产品。光源经过波导片上方的阵列折射后进入下面横向的阵列中。据介绍,这样的话能够将光机体积进一步缩小,并且获得更大的Eyebox,比较适合C端的需求。
据悉该产品采用了右上角耦入形式,模组重量小于20g,FOV高达50°,出瞳距离达20mm以上,眼动范围15x12mm,畸变<2%,透过率大于85%。二维扩瞳阵列光波导具有高透过率及轻薄的体积,未来有望落地到消费端AR眼镜。
图源:VR陀螺
整体体验来看,从一维升级至二维扩瞳后,观看时可以看到画面中细微的网格。据了解,这是由于阵列的玻璃与玻璃之间胶纸贴合的空隙所产生,贴合度越高也能将网格感降到越低。
6、灵犀微光
来源:VR陀螺
灵犀微光成立于2014年,是一家专注于AR底层光学显示技术的厂商和服务商,主攻核心光学器件光学引擎,为企业用户提供消费级AR核心显示技术和光学解决方案。目前该公司产品已投入教育、医疗、安防、工业维检和特种行业等专业领域使用。
图源:网络
灵犀微光现场展示了阵列光波导方案AW70s,据称镜片重量仅10．9g,体积小、对比度高、画质真实,视场角可达30度,为高集成度的AR眼镜设备提供基础。在现场可体验到该产品在白色背景上的成像显示效果依旧非常清晰。
7、理湃光晶
图源:VR陀螺
上海理湃光晶技术有限公司(以下简称理湃光晶)成立于2012年,业务范围涵盖AR软硬件系统方案、研发、生产与销售,专注于AR眼镜光波导显示技术的研发。目前,理湃光晶的应用场景包括安防、消防、工业、物流以及教育。
在此次光博会上,理湃光晶带来其核心产品--光波导显示模组。图为展出的光学模组之一 -- LPM22-1,该光学模组采用的是阵列光波导,具有40°视场角,重量不到18g,拥有120Hz刷新率以及透光率达到85%以上等特点。
LPM22-1(图源:VR陀螺)
8、谷东科技
图源:VR陀螺
谷东科技成立于2017年,成立四年以来,一直致力推动“AR变革认知、AI赋能行业”,并且拥有研发中心。其公司产品涵盖数字化智能平台、AR智能硬件和波导光学模组,在航空制造、海关、石油石化、工业、安防应急、电力巡检等范围都有相应的应用。 此次在展会上,谷东科技展出了其分体式AR智能眼镜--C200-S。这款眼镜采用了几何阵列波导显示模组,对角视场角31°,虚拟屏幕尺寸为70英寸,亮度能达到3000nit,并且具备IP66防水级别,还可以实现语音交互。
此外,谷东科技还展出其研发的AR光学模组,M20系列波导光学模组,分别有对角线视场角26°、31°、43°的产品规格。
9、耐德佳
图源:VR陀螺
北京耐德佳显示技术有限公司(简称:耐德佳)成立于2015年,拥有北京理工大学、中科院博士等高校组成的专业团队,主要从事AR/VR相关的光学模组的设计、研发、生产和技术支持。
在今年的展会上,耐德佳展示了多款AR/VR光学核心器件和光学模组,涵盖视场角从24°到120°的产品规格。此外还带来了AR头戴现实产品晨星G1 AR一体机、晨星NewG2 AR眼镜以及AR-HUD等硬件产品。
图源:VR陀螺
此外,在此次展会上,耐德佳还展示了一款新的VR短焦光学方案,使用京东方2．1英寸LCD屏幕,模组厚度19mm,据称视场角可以达到90°以上,并且支持700°的屈光度调节。
10、奥提赞
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奥提赞光晶(山东)显示科技有限公司(以下简称:奥提赞)是一家高科技光电技术企业,从事光学设计、信息光学材料以及全息光学器件制备领域已有近10年的时间,主要从事高性能全息记录材料研发、全息衍射光波导的设计和制备。
在这次展会上,奥提赞展示了其新一代高性能全息波导产品。这款高性能全息光波导具有52°的视场角、90%的透光率、仅2g的重量、多种基体材料可选以及量产成本低的特点。
图源:VR陀螺
目前,奥提赞的产品及解决方案已经在AR安全巡检、智慧工业、多元教育、AI赋能、游戏娱乐、智慧医疗等多种领域实现了应用。
11、多普光电
成立于2013年的多普光电,至今已有18年的光学设计方案及光学器件研发经验。经过长期的研究与创新,在VR/AR光学显示模组、超短焦/变焦/定焦透镜系统等领域开发了一系列高质量的光学器件和系统。
在本次展会上,多普光电带来了其VR短焦光学镜头、AR镜片、广角无畸变投影镜头、超短焦光学透镜以及其他光学模组。
其中超短焦VR光学已是目前的主流趋势,从目前VR设备的供应链来看,超短焦光学设备或许将会带动整个VR市场的发展。 多普光电采用了自研的V1高清VR光学镜头,内置2片来自索尼的0．71英寸Micro-OLED显示屏,单屏分辨率为1920×1080,宽高比为16:9,并配备了驱动PCB板,可通过WiFi或者线缆与手机、PC等连接。
