AR光學(xué)專題研究報(bào)告2024：從離軸透鏡到光波導(dǎo)-維深Wellsenn XR

@深圳市維深信息技術(shù)有限公司AllRightsReservedAR光學(xué)經(jīng)歷了棱鏡方案、離軸透鏡方案、自由曲面方案、Birdbath方案和光波導(dǎo)方案五個(gè)階段，目前Birdbath方案以低成本和優(yōu)秀的成像質(zhì)量，成為當(dāng)前投屏觀影類場(chǎng)景下多數(shù)AR設(shè)備選擇的光學(xué)方案；但隨著AR在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)逐步滲透和起量，C端消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)AR設(shè)備的輕薄、便攜、佩戴體驗(yàn)等提出了更高的要求，光波導(dǎo)方案以其輕薄、極高的透光率以及日漸成熟的量產(chǎn)工藝，逐漸成為消費(fèi)級(jí)AR市場(chǎng)的發(fā)展和進(jìn)化方向，特別是以雷鳥、INMO、Xreal、魅族等廠商已經(jīng)推出或即將推出基于光波導(dǎo)的AR設(shè)備，我們判斷光波導(dǎo)方案未來(lái)3-5年將成為多數(shù)消費(fèi)級(jí)AR升級(jí)的首選方案。光波導(dǎo)光學(xué)方案關(guān)鍵在于利用光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光路的延長(zhǎng)，利用半透半反鏡面陣列、光柵等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光的折疊和傳播，在傳遞屏幕光的同時(shí)，不影響環(huán)境光的入眼，最終實(shí)現(xiàn)近光波導(dǎo)方案基于當(dāng)前技術(shù)可細(xì)分為多個(gè)領(lǐng)域，基于幾何光學(xué)的陣列光波導(dǎo)、基于衍射光學(xué)的衍射光波導(dǎo)以及基于偏振折返式光學(xué)的混合波導(dǎo)，各光學(xué)方案有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)業(yè)界基于當(dāng)前技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)化，通過(guò)探索二維擴(kuò)瞳、波導(dǎo)拓展、光柵構(gòu)造、鏡片材料、偏振復(fù)用等技術(shù)，推動(dòng)光波導(dǎo)方案進(jìn)一步發(fā)展。這些更先進(jìn)的光學(xué)方案有助于壓縮模組的厚度和重量，提高光學(xué)參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)普通眼鏡形態(tài)的同時(shí)，提供優(yōu)秀的顯示交互體驗(yàn)。此外，基于微納工藝的全息元件或超表面，同樣具有卓越的光學(xué)性能，在探索差異化的AR光學(xué)道路上，有望成為產(chǎn)業(yè)和資本的追蹤賽道，為元宇宙硬件多元化，增添新的解決本報(bào)告共計(jì)91頁(yè)，對(duì)AR光學(xué)方案進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，詳細(xì)描述了光學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)、AR產(chǎn)業(yè)鏈以及不同AR光學(xué)方案之間的差異。通過(guò)追溯AR光學(xué)發(fā)展歷程，針對(duì)各時(shí)段主流AR光學(xué)方案以及光學(xué)方案廠商，從結(jié)構(gòu)、原理出發(fā)，基于原創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)圖和原理圖，對(duì)不同AR光學(xué)方案進(jìn)行梳理，著重分析了不同光學(xué)方案的優(yōu)劣點(diǎn)、技術(shù)瓶頸、量產(chǎn)難度、發(fā)展趨勢(shì)等，最終基于各項(xiàng)資料統(tǒng)計(jì)整理。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)2R一、AR光學(xué)概述 (一)AR光學(xué)原理 1、AR光學(xué)概念 (2)視場(chǎng)放大 (4)虛實(shí)疊加 (二)AR光學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù) 3、透光率 6、出瞳距離Eyerelief 維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)3R(三)AR光學(xué)方案類型 (四)AR光學(xué)發(fā)展歷程 (五)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu) 二、AR棱鏡光學(xué)方案 (二)核心廠商及產(chǎn)品 三、AR離軸透鏡方案 四、AR自由曲面方案 (二)核心廠商及產(chǎn)品 (二)基于Birdbath光學(xué)方案的單光源雙目顯示 (三)核心廠商及產(chǎn)品 維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)4R六、AR光波導(dǎo)方案 2、一維擴(kuò)瞳和二維擴(kuò)瞳 4、核心廠商及產(chǎn)品 (四)衍射光波導(dǎo) 維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)5R(1)表面浮雕光柵波導(dǎo) 4、鏡片材料 (五)混合光波導(dǎo) 2、雙混合波導(dǎo) (六)光波導(dǎo)方案綜合對(duì)比 1、主流光波導(dǎo)方案對(duì)比 2、主流光波導(dǎo)工藝對(duì)比 3、光波導(dǎo)方案對(duì)比 七、其他前沿光學(xué)方案 88八、AR光學(xué)方案總結(jié) 維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)6圖表1:近眼成像原理示意圖圖表2:視場(chǎng)放大原理示意圖圖表3:See-Through實(shí)現(xiàn)方式示意圖圖表4:VST與OST對(duì)比圖圖表5:AR、VR、MR原理區(qū)別示意圖圖表6:視場(chǎng)角FOV示意圖圖表7:人眼視場(chǎng)角示意圖圖表8:常見(jiàn)視場(chǎng)角對(duì)比示意圖圖表10:不同場(chǎng)景屏幕亮度需求圖表11:不同光學(xué)方案透過(guò)率圖表12:不同光學(xué)方案光學(xué)效率圖表13:Eyebox與Eyerelief示意圖圖表14:不同光學(xué)方案模組厚度圖表15:光學(xué)方案對(duì)比圖圖表16:AR光學(xué)方案演化圖圖表17:AR光學(xué)發(fā)展歷史圖表18:AR產(chǎn)業(yè)地圖圖表19:棱鏡方案原理圖圖表20:棱鏡顯示方案技術(shù)發(fā)展歷程圖表21:棱鏡方案核心廠商及產(chǎn)品圖表22:離軸透鏡方案原理圖圖表23:自由曲面方案原理圖圖表24:自由曲面方案核心廠商及產(chǎn)品圖表25:Birdbath方案光路示意圖圖表26:Birdbath方案特點(diǎn)圖表27:Birdbath方案工藝流程圖圖表28:單光源雙目顯示系統(tǒng)示意圖圖表29:Birdbath方案核心廠商及產(chǎn)品圖表30:光波導(dǎo)原理示意圖圖表31:光波導(dǎo)方案分類圖表32:光波導(dǎo)方案性能指標(biāo)對(duì)比表圖表33:混合光波導(dǎo)和孔陣光波導(dǎo)維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)7圖表34:幾何光波導(dǎo)方案示意圖圖表35:一維擴(kuò)瞳示意圖圖表36:二維擴(kuò)瞳示意圖圖表37:陣列光波導(dǎo)特性及優(yōu)劣性圖表38:陣列光波導(dǎo)工藝流程圖圖表39:膠合工藝流程圖圖表40:鍵合工藝流程圖圖表41:膠合及鍵合工藝對(duì)比圖表42:陣列光波導(dǎo)發(fā)展歷程圖表43:陣列光波導(dǎo)方案核心廠商及產(chǎn)品圖表44:彩虹效應(yīng)示意圖圖表45:全彩化顯示方案示意圖圖表46:一維光柵一維拓展示意圖圖表47:一維光柵二維拓展示意圖圖表48:二維光柵二維拓展示意圖圖表49:不同擴(kuò)瞳方案對(duì)比圖表50:光柵屬性示意圖圖表51:表面浮雕光柵波導(dǎo)示意圖圖表52:衍射光柵光路示意圖圖表53:矩形光柵及矩形光柵衍射效率示意圖圖表54:傾斜光柵及傾斜光柵衍射效率示意圖圖表55:閃耀光柵及閃耀光柵衍射效率示意圖圖表56:圓柱型光柵光路示意圖圖表57:不同光柵對(duì)比圖表58:納米壓印示意圖圖表59:刻蝕技術(shù)示意圖圖表60:納米壓印與刻蝕工藝對(duì)比圖表61:體全息光柵波導(dǎo)發(fā)展歷程圖表62:體全息光柵示意圖圖表63:體全息光柵衍射特性圖表64:體全息光柵環(huán)境光透過(guò)性能圖表65:體全息光柵記錄介質(zhì)原理示意圖圖表66:體全息光柵波導(dǎo)材料分類維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)8圖表67:體全息光柵波導(dǎo)材料對(duì)比圖表68:H-PDLC材料工作原理示意圖圖表69:H-PDLC材料制備步驟圖表70:體全息光柵制備工藝流程圖表71:體全息光柵制備示意圖圖表72:體全息光柵波導(dǎo)廠商布局圖表73:體全息光柵波導(dǎo)核心廠商及產(chǎn)品圖表74:偏振體全息光柵波導(dǎo)介質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖圖表75:偏振體全息光柵偏振響應(yīng)特性圖表76:偏振體全息光柵偏振特性圖表77:偏振體全息光柵波導(dǎo)入耦合器示意圖圖表78:偏振體全息光柵單光源雙目顯示圖表79:偏振體全息波導(dǎo)復(fù)合光柵擴(kuò)大視場(chǎng)角圖表80:偏振體全息光柵制備示意圖圖表81:基材折射率影響FOV圖表82:亮度不均勻原理示意圖圖表83:色彩不均勻原理示意圖圖表84:鏡片材料對(duì)比圖圖表85:混合光波導(dǎo)方案示意圖圖表86:光學(xué)方案對(duì)比圖表圖表87:混合光波導(dǎo)光路原理圖圖表88:雙混合波導(dǎo)系統(tǒng)示意圖圖表89:基于偏振的雜光消除系統(tǒng)圖表90:蟻視產(chǎn)品對(duì)比表圖表91:AR產(chǎn)品對(duì)比圖圖表92:光波導(dǎo)方案技術(shù)路徑對(duì)比圖圖表93:衍射光波導(dǎo)方案量產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比圖圖表94:幾何光波導(dǎo)與衍射光波導(dǎo)工藝對(duì)比圖表95:光波導(dǎo)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比圖表96:全息光學(xué)元件圖表97:超表面光學(xué)圖表98:AR光學(xué)方案對(duì)比維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)9(一)AR光學(xué)原理1、AR光學(xué)概念A(yù)R(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))基于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算、多傳感器融合和光電顯示等技術(shù)，將創(chuàng)建生成的虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加融合，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境追蹤、覆蓋、標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合，增強(qiáng)人類感知和感官體驗(yàn)。AR具有數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合、實(shí)時(shí)交互以及虛擬對(duì)象和真實(shí)對(duì)象的準(zhǔn)確3D標(biāo)識(shí)三個(gè)特點(diǎn)。AR光學(xué)，指利用光的折射或衍射原理，在不影響環(huán)境光的前提下，改變屏幕光的傳播方向，實(shí)現(xiàn)將虛擬信息數(shù)據(jù)(包括文字、圖像、視頻和3D模型等)疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)上。AR光學(xué)主要解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示交互的四個(gè)問(wèn)題：近眼聚焦、視場(chǎng)放大、環(huán)境透視以及虛實(shí)疊加。(1)近眼聚焦人眼正常視力焦距為25cm左右，當(dāng)一個(gè)物體距離人眼小于25cm時(shí)，晶狀體的屈光不夠，導(dǎo)致成像無(wú)法落在視網(wǎng)膜上，形成清晰圖像。這個(gè)距離為明視距離。如圖所示，距離小于明視距離的物體A,無(wú)法在人眼視網(wǎng)膜上聚焦成像，因此顯得模糊不清。通過(guò)在人眼與物體之間插入透鏡B,利用透鏡折射原理，改變了光的入射角度，形成屈光度調(diào)節(jié)作用，使得物體A的成像落在了視網(wǎng)膜上，形成清晰的圖像。近眼成像原理示意圖視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜晶狀體物體AAR光學(xué)通過(guò)在人眼和屏幕之間插入光學(xué)透鏡，利用光學(xué)透鏡的折射原理，讓明視距離內(nèi)的屏幕圖像滿足人眼聚焦的條件，實(shí)現(xiàn)屏幕圖像的清晰顯示。(2)視場(chǎng)放大視場(chǎng)主要指光學(xué)系統(tǒng)能提供的視野范圍。在AR光學(xué)中，視場(chǎng)放大指如何在現(xiàn)實(shí)環(huán)境區(qū)域內(nèi)看到更大的虛擬圖像。通過(guò)光學(xué)透鏡的折射原理，在實(shí)現(xiàn)近眼顯示的同時(shí)，增大光線的傳播角度，可實(shí)現(xiàn)顯示屏幕的光學(xué)放大。視場(chǎng)放大主要以視場(chǎng)角的大小來(lái)衡量，視場(chǎng)角越大，人眼視野范圍內(nèi)虛擬圖像顯示的區(qū)域越大，則視場(chǎng)放大的范圍越大。AR視場(chǎng)放大虛擬虛擬影像透鏡微型顯示器(3)環(huán)境透視AR作為虛實(shí)結(jié)合設(shè)備，現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息是必不可少的一環(huán)。目前在XR產(chǎn)業(yè)中，允許用戶直接看到設(shè)備外現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息的透視技術(shù)有兩種路徑，分別為基于光學(xué)的OST技術(shù)和基光學(xué)透視，OpticalSee-Through,簡(jiǎn)稱OST。其核心原理是光學(xué)系統(tǒng)允許現(xiàn)實(shí)環(huán)境光線通過(guò)，用戶可直接透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)觀察到外界環(huán)境。在基于OST的AR光學(xué)系統(tǒng)中，光耦合器透射現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息，反射由顯示屏幕或光機(jī)生成的圖像信息，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息與虛擬信息同時(shí)傳導(dǎo)到人眼的情況下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)信息與虛擬信息的結(jié)合，達(dá)到虛擬顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視頻透視，VideoSee-Through,簡(jiǎn)稱VST。其核心原理是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)重建現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息，以實(shí)現(xiàn)在不透明的設(shè)備中觀察到外界環(huán)境的功能。在基于VST的MR光學(xué)系統(tǒng)中，光耦合器主要用于透射由計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息。其中虛擬信息由兩部分組成，一是基于攝像頭實(shí)時(shí)捕捉的現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息，用于重建現(xiàn)實(shí)環(huán)境。二是由計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息，用于疊加在重建的現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息中，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)11See-Through實(shí)現(xiàn)方式示意圖光學(xué)See-Through光耦合器(透明)虛擬世界(投影)真實(shí)世界虛擬世界虛擬世界真實(shí)世界攝像頭視頻See-Through顯示器(不透明)在當(dāng)前的XR領(lǐng)域中，采用OST方案的，多為AR顯示設(shè)備，如基于光波導(dǎo)光學(xué)的及焦平面上都更有優(yōu)勢(shì)。采用VST方案的，則多為MR設(shè)備，如AppleVisionPro、VarjoVST&OST對(duì)比表現(xiàn)實(shí)環(huán)境亮度現(xiàn)實(shí)環(huán)境分辨率圖像遮擋效果虛擬畫面延遲焦平面現(xiàn)實(shí)信息無(wú)延遲虛擬信息有延遲無(wú)數(shù)個(gè)VST100-660nit單眼2k-4k相對(duì)精細(xì)90°-120°有延遲一個(gè)現(xiàn)實(shí)環(huán)境亮度：現(xiàn)實(shí)環(huán)境亮度主要影響影響現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息的清晰度、色彩度、環(huán)境適應(yīng)度等參數(shù)。OST的現(xiàn)實(shí)環(huán)境亮度主要由光學(xué)方案透過(guò)率和真實(shí)環(huán)境光亮度決定，可達(dá)現(xiàn)實(shí)環(huán)境分辨率：現(xiàn)實(shí)環(huán)境分辨率越高，展示的現(xiàn)實(shí)畫面細(xì)節(jié)則越多，可提供更好的維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)12圖像遮擋效果：圖像遮擋效果決定虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的融合程度，遮擋效果越差，則融合程度越差，兩者割裂嚴(yán)重，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果差，用戶觀感體驗(yàn)也不好。OST的虛擬物體不會(huì)對(duì)真實(shí)物體進(jìn)行完全遮擋，而是呈半透明狀態(tài)疊加在真實(shí)物體上，且虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的邊界部分很難進(jìn)行像素級(jí)的融合處理，導(dǎo)致OST的圖像遮擋效果相對(duì)粗糙。VST由于都是以數(shù)字圖像的形式提供，合成器以像素級(jí)的精細(xì)程度實(shí)現(xiàn)虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的融合堆疊，可以形成更加細(xì)致真實(shí)的遮擋效果。因此VST方案的圖像遮擋效果比OST方案FOV:FOV決定了人眼可觀察到的視野范圍。在AR光學(xué)中，F(xiàn)OV也指生成虛擬信息的區(qū)域大小。FOV越大，顯示的虛擬信息畫面則越大，用戶沉浸感越足。OST受光學(xué)元件、顯示屏等核心元件以及輕量化的需求限制，目前主流量產(chǎn)的產(chǎn)品FOV在30-70°之間。VST由于使用的顯示器尺寸較大，且可以將顯示器與光學(xué)器件完全設(shè)置在眼睛前方，因此能夠虛擬畫面延遲：虛擬畫面的延遲會(huì)影響用戶沉浸感，嚴(yán)重的畫面延遲還會(huì)存在明顯的滯后，導(dǎo)致暈動(dòng)病等不良癥狀的發(fā)生。OST現(xiàn)實(shí)環(huán)境由真實(shí)環(huán)境提供，所以該部分無(wú)延而虛擬信息由計(jì)算機(jī)模擬，存在一定延遲，當(dāng)畫面延遲過(guò)大時(shí)，會(huì)造成虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境割裂，導(dǎo)致畫面漂移等影響觀感的現(xiàn)象。VST現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬信息都由計(jì)算機(jī)模擬，所以現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬信息之間無(wú)延遲，與真實(shí)環(huán)境有延遲，當(dāng)與真實(shí)環(huán)境的延遲過(guò)大時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)病等問(wèn)題，目前VST方案下最低12ms。焦平面：不同的焦平面可控制不同的景深，提供清晰的顯示效果，減少模糊感，緩解長(zhǎng)時(shí)間使用下的視覺(jué)疲勞，并提供更好的3D體驗(yàn)。OST方案現(xiàn)實(shí)環(huán)境即真實(shí)環(huán)境，所以存在無(wú)數(shù)個(gè)焦平面，景深和現(xiàn)實(shí)環(huán)境景深相同。而VST方案的現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬信息都由屏幕提供，所以焦平面只有一個(gè)，景深也由屏幕顯示模擬，因此與現(xiàn)實(shí)環(huán)境景深存在差異，長(zhǎng)OST方案在輕薄、省電、現(xiàn)實(shí)環(huán)境亮度、現(xiàn)實(shí)環(huán)境分辨率、延遲、焦平面等方面具有優(yōu)勢(shì)，但存在光學(xué)透視的光路設(shè)計(jì)復(fù)雜，量產(chǎn)難度高，虛擬視圖與真實(shí)環(huán)境存在延遲，視覺(jué)效果受環(huán)境影響較大等問(wèn)題，且顯示畫面的視場(chǎng)角有限，無(wú)法顯示純黑畫面，存在色散、維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)13VST方案在虛擬圖像遮擋效果、FOV、信息配準(zhǔn)、亮度匹配控制等方面具有優(yōu)勢(shì)，但提升用戶體驗(yàn)，需要堆砌超高分辨率的顯示屏、高算力芯片、高速傳輸芯片以及優(yōu)異的VST算法，功耗也會(huì)隨之提升，對(duì)廠商的綜合實(shí)力要求極高。同時(shí)超大視場(chǎng)角體驗(yàn)帶來(lái)的代價(jià)是復(fù)雜光線環(huán)境下還原效果不佳，產(chǎn)品形態(tài)臃腫，大量算力浪費(fèi)在還原現(xiàn)實(shí)世界，導(dǎo)(4)虛實(shí)疊加AR技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要在現(xiàn)實(shí)世界信息上疊加數(shù)字信息。確保虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境無(wú)縫融合，使用戶體驗(yàn)更加自然和沉浸，是虛實(shí)疊加需要解決的主要問(wèn)題。2、AR與VR、MR的區(qū)別XR領(lǐng)域目前主要分為三大類型，分別為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR、虛擬現(xiàn)實(shí)VR以及混合現(xiàn)實(shí)MR。其中虛擬現(xiàn)實(shí)VR與混合現(xiàn)實(shí)MR常出現(xiàn)于同一設(shè)備中。透鏡透鏡虛擬物體虛擬環(huán)境虛擬物體虛擬物體真實(shí)顯示器環(huán)境顯示器虛擬影像透鏡透鏡ARVRMR在AR情景中，光學(xué)顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)將虛擬環(huán)境信息映射到現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息中，用戶的觀感體驗(yàn)建立在真實(shí)環(huán)境上；在VR情景中，光學(xué)顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境信息，用戶的觀感體驗(yàn)建立在與當(dāng)前現(xiàn)實(shí)環(huán)境無(wú)關(guān)的虛擬環(huán)境上。在MR情景中，光學(xué)顯示系統(tǒng)負(fù)責(zé)仿真由攝像頭捕捉到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息，并插入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的虛擬內(nèi)容，用戶的觀感體驗(yàn)建立在與當(dāng)前現(xiàn)實(shí)環(huán)境有關(guān)的虛擬環(huán)境上。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)14(二)AR光學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)視場(chǎng)角(FieldofView),簡(jiǎn)稱FOV,指顯示設(shè)備成像中，人眼可觀察部分的邊緣與人眼瞳孔中心連線的夾角，即水平、垂直或?qū)欠较蛏蠈?duì)虛像最大的可視范圍，包括水平視場(chǎng)角(HFOV)、垂直視場(chǎng)角(VFOV)以及對(duì)角線視場(chǎng)角(DFOV),未加特殊說(shuō)明時(shí)指左右兩個(gè)邊緣與單個(gè)觀察點(diǎn)的夾角，即水平視場(chǎng)角。視場(chǎng)角是判斷沉浸感的重要參數(shù)，視場(chǎng)角越大，沉浸感越強(qiáng)。視場(chǎng)角FOV示意圖A:水平視場(chǎng)角C:對(duì)角線視場(chǎng)角正常人單眼的水平視場(chǎng)角最大可達(dá)160°,雙眼的水平視場(chǎng)角最大可達(dá)200度，雙眼重體驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，180°視場(chǎng)角則是達(dá)到完全沉浸的標(biāo)準(zhǔn)。而在AR光學(xué)中，市場(chǎng)上主流的方案仍在30°-70°之間。人眼視場(chǎng)角示意圖維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)15對(duì)于C端用戶，F(xiàn)OV越大則沉浸感越強(qiáng)，玩游戲、看視頻的體驗(yàn)感也就越好。而對(duì)于B眼鏡就足以滿足維護(hù)、檢修等場(chǎng)景的需求，同時(shí)視場(chǎng)角以外的區(qū)域并不會(huì)受到遮擋，可讓用戶看到清晰的周邊環(huán)境，從而提高安全性。圖中藍(lán)色方框是人眼可視的視場(chǎng)角范圍，紅色的方框?yàn)槭忻嫔掀胀╒R頭顯的視場(chǎng)角范圍，內(nèi)里的方框則是市常見(jiàn)視場(chǎng)角對(duì)比示意圖在AR場(chǎng)景下，F(xiàn)OV的大小主要指虛擬圖像顯示區(qū)域的大小，因此FOV的大小與可支持在40-60°的FOV下，可支持游戲、視頻、投屏等投屏觀影類場(chǎng)景；在60-100°的FOV下，可支持MR應(yīng)用、教育培訓(xùn)、展覽展示等虛實(shí)融合類場(chǎng)景；100°及以上的FOV,可支持MRARFOV與支持功能場(chǎng)景100°及以上功能場(chǎng)景信息提示投屏觀影虛實(shí)融合沉浸體驗(yàn)翻譯、導(dǎo)航、提詞、指示、標(biāo)注等傳統(tǒng)硬件的游戲、視頻投屏等MR應(yīng)用，教育培訓(xùn)、展覽展示、游藝互動(dòng)等沉浸式觀影、MR游戲、辦公、會(huì)議等維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)162、亮度亮度指光學(xué)系統(tǒng)顯示虛擬圖像的亮度，在AR光學(xué)中，亮度指屏幕圖像入眼的亮度。亮度的高低影響畫面的清晰度、對(duì)比度、色彩鮮艷度等參數(shù)。不同的應(yīng)用場(chǎng)景有不同的亮度要求，足夠高的亮度允許用戶在陽(yáng)光直射的環(huán)境中也能看清圖像，這也是當(dāng)前AR設(shè)備面臨不同場(chǎng)景的亮度要求場(chǎng)景低戶外亮度(陰天)中等戶外亮度高戶外亮度(晴天)亮度(nit)數(shù)據(jù)來(lái)源：wellsennXR整理一般情況下，AR眼鏡入眼亮度達(dá)到300尼特可滿足室內(nèi)需求，1500尼特入眼亮度可滿足正常戶外需求，3000尼特才能達(dá)到全天候AR眼鏡的亮度需求。3、透光率透光率，指人眼透過(guò)光學(xué)元件可接收到的環(huán)境光量與總環(huán)境光量比例，高透過(guò)率可以使觀察到的現(xiàn)實(shí)世界更清晰。理想的透光率是100%,現(xiàn)有的AR光學(xué)技術(shù)還很難做到。低透光率會(huì)導(dǎo)致OST方案下的AR設(shè)備難以看清現(xiàn)實(shí)環(huán)境，對(duì)安全性有很大的威脅，可以應(yīng)對(duì)普通消費(fèi)者室內(nèi)使用場(chǎng)景，但難以被專業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景接受。離軸透鏡離軸透鏡棱鏡Birdbath自由曲面光波導(dǎo)透光率35%-80%12.5%10%-30%35%-80%85%-90%普通眼鏡透過(guò)率在90%-95%左右，在AR光學(xué)方案中，光波導(dǎo)透過(guò)率一般在85%-90%之間，自由曲面透過(guò)率可以根據(jù)需要設(shè)置，一般介于35%-80%之間，BB光學(xué)透過(guò)率一般在10%-30%之間。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)17光學(xué)效率指人眼接收光與發(fā)光元件(屏幕或者光機(jī))發(fā)出光的比例。AR光學(xué)中，不同的光學(xué)方案采用的原理和設(shè)計(jì)不同，導(dǎo)致光學(xué)效率相差很大。如AR衍射光波導(dǎo)由于光的衍射、波導(dǎo)全反射吸收、衍射色散等問(wèn)題存在光的損失，理論光學(xué)效率為0.1%-1%;陣列光波導(dǎo)利用光的反射原理，在波導(dǎo)全反射傳遞、半透半反鏡陣列透射和反射時(shí)存在光的損失，理論光學(xué)效率為8%-15%;BB光學(xué)方案在偏振分束器、半透半反鏡面上都存在光學(xué)損失，理論光學(xué)效率為25%。此外，由于還存在設(shè)計(jì)、制造等方面的問(wèn)題，通常真實(shí)的光學(xué)效率要比理論值低。不同光學(xué)方案光學(xué)效率離軸透鏡棱鏡Birdbath自由曲面光波導(dǎo)陣列光波導(dǎo)表面浮雕光柵體全息光柵光效30%-80%8%-15%(一維)5%(二維)0.1%-1%0.1%-1%數(shù)據(jù)來(lái)源：wellsennXR整理自由曲面的原理是內(nèi)反射，外加一次分光膜。分光膜決定光學(xué)效率和透過(guò)率，光學(xué)效率+透過(guò)率≈95%,光學(xué)效率和透過(guò)率成反比關(guān)系。通常自由曲面設(shè)定為35%的光學(xué)效率和60%的透過(guò)率。光波導(dǎo)通常為光機(jī)+光波導(dǎo)搭配，在光機(jī)部分，通常為L(zhǎng)cos或者是MicroLED光機(jī)，此類光機(jī)為點(diǎn)光源，常以流明為單位標(biāo)注亮度，光波導(dǎo)顯示畫面為面光源，通常以尼特為單眼動(dòng)范圍Eyebox指近眼顯示光學(xué)模組與眼球之間的一塊錐形區(qū)域，是顯示內(nèi)容最清晰的區(qū)域。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)18在AR光學(xué)系統(tǒng)中，如果接收眼與輸出區(qū)域的中心對(duì)齊，將獲得完美的圖像。當(dāng)眼睛向左右或上下移動(dòng)時(shí)，在每個(gè)方向的臨界值外，圖像將變差，超出該區(qū)域范圍的圖像顯示會(huì)呈現(xiàn)扭曲、顯色錯(cuò)誤，甚至不顯示等問(wèn)題。Eyebox通常以毫米的單位來(lái)衡量，在VR中由于屏幕和光學(xué)模組呈圓形，所以Eyebox呈圓形，一般都是以直徑大小來(lái)表示；AR的Eyebox通常為矩形，一般以長(zhǎng)和寬的大小來(lái)表示。由于人的瞳孔直徑大約4mm,所以Eyebox的直徑或?qū)挷荒苄∮?mm。由于AR設(shè)備在佩戴使用時(shí)存在上下滑動(dòng)，以及人的眼睛間距不一致，因此Eyebox需要做的比瞳孔直徑更大，才能保證在使用中能夠持續(xù)地聚焦。Eyebox與FOV相互制約，想要獲得大的動(dòng)眼框，就要犧牲視場(chǎng)角大小，反之亦然。出瞳距離Eyerelief是指能夠看清整個(gè)視場(chǎng)時(shí)眼睛與光學(xué)鏡片間的距離，通常人眼與眼鏡的出瞳距離為12mm,目前VR光學(xué)的出瞳距離大概在8-15mm之間。AR的出瞳距離大概在12-20mm之間。出瞳距離小，有利于提高光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角。出瞳距離大，會(huì)提高整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的厚度。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)197、厚度厚度通常是指光學(xué)模組與人眼視線垂直方向的最大厚度。光學(xué)厚度決定了AR眼鏡的體積、重量、佩戴舒適度甚至是其應(yīng)用場(chǎng)景。整體而言，隨著光學(xué)方案技術(shù)的迭代，光學(xué)模組呈輕量化趨勢(shì)，AR眼鏡的終極追求是類普通眼鏡鏡片的厚度和重量。離軸透鏡棱鏡Birdbath自由曲面光波導(dǎo)模組厚度9mm-25mm數(shù)據(jù)來(lái)源：wellsennXR整理(三)AR光學(xué)方案類型光學(xué)成像模組是AR近眼顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，位于人的眼前并占據(jù)整個(gè)終端的主要體積，來(lái)自顯示器的虛擬信號(hào)和來(lái)自現(xiàn)實(shí)環(huán)境的真實(shí)信號(hào)都經(jīng)由其進(jìn)入人眼。因此，光學(xué)成像模組極大程度地決定了AR眼鏡的產(chǎn)品形態(tài)和顯示效果，是AR眼鏡放量瓶頸突破的關(guān)鍵。目前AR近眼顯示系統(tǒng)中，光學(xué)成像模組存在多條技術(shù)路線，包括離軸光學(xué)方案、棱鏡方案、Birdbath方案、光波導(dǎo)方案等。不同的光學(xué)方案具有不同的優(yōu)勢(shì)和局限性。成像模組離軸光學(xué)類棱鏡類自由曲面類Birdbath類光波導(dǎo)類原理圖開(kāi)界夫被艷F翠光開(kāi)界夫被艷F翠光 X折環(huán)城X偏鄭分來(lái)浴波等基腐波等基腐境影光機(jī)境影光機(jī)厚度>9-25mm輕量化水平FOV低10°~20°較低20~55°般30°~60°25°~80°Eyebox成像質(zhì)量較大好較好一般好一般好好/較好透過(guò)率40%~70%<50%~50%主要挑戰(zhàn)1、輕量化和顯示效果存在矛盾2、體積下限無(wú)法突破3、透過(guò)率較難提高1、量產(chǎn)工藝尚不成熟，成本較高2、不同細(xì)分方案缺點(diǎn)不一維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)20離軸光學(xué)棱鏡曲面陣列波導(dǎo)衍射波導(dǎo)部分產(chǎn)品部分產(chǎn)品部分產(chǎn)品部分產(chǎn)品GoogleGlassMirageARDreamGlass耐得佳RokidAirRokidVisionVuzixblade圖片來(lái)源：wellsennXR整理聯(lián)系，提高產(chǎn)品的場(chǎng)景適用性，有助于AR走出室內(nèi)。AR光學(xué)發(fā)展歷史概念期熱潮期走出實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品功能加速迭代冷靜期受商業(yè)模式和技術(shù)瓶頸制約，廠商開(kāi)始司托馬斯·考德?tīng)柺滋酇RToolkit推出2000年，第一款A(yù)R游戲2012年，谷歌發(fā)布GoogleGlass2015年，微軟發(fā)布Hololens2016年，AR游戲Pokémon塑造XR平臺(tái)能力并推進(jìn)硬件持續(xù)迭代2017年Enterprise復(fù)蘇期2018年2019年2020年態(tài)完善，滲透率實(shí)現(xiàn)加速提高2022年維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)21(五)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)目前AR光學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，整體呈上游硬件原材料壁壘高、中游方案研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)激烈、下游C端生態(tài)不足的特征，上游主要包括原料設(shè)備，中游覆蓋各類型光學(xué)方案，下游為終端應(yīng)用品牌。ARAR光學(xué)產(chǎn)業(yè)圖譜glassmadeofideas玻璃/樹脂基材MitsuiChemicasAGCGdnano光舵微納之致瑞科技Germanlitho天仁微納光學(xué)膜材tesaZ光刻膠NAGASENordsonRA光馳科技BRANDNEWFUTUREJPTG陣列光波導(dǎo)衍射光波導(dǎo)Goeroptics舜宇?yuàn)W來(lái)技術(shù)LINOXI-ARXreQl棱鏡舜宇?yuàn)W來(lái)技術(shù)kURAGoeroptics舜宇?yuàn)W來(lái)技術(shù)gGCO靈犀微光F6-qlosscsMeta-Bourds黃家VUZIXMicrosoft自由曲面technologies下游雷鳥Xreal影目科技品牌廠商Lenovo聯(lián)想中游上游AR產(chǎn)業(yè)鏈上游原料主要分為玻璃/樹脂基材、光學(xué)膜材以及光刻膠、OCA等加工輔料，設(shè)備可細(xì)分為檢測(cè)設(shè)備、AA設(shè)備、壓印設(shè)備、鍍膜設(shè)備和清洗設(shè)備等，上游的技術(shù)瓶頸和成本主要集中在硬件部分，公司覆蓋范圍較廣。AR產(chǎn)業(yè)鏈中游為光學(xué)方案廠商，包括設(shè)計(jì)和加工制造廠商，其中設(shè)計(jì)制造類按光學(xué)方案可分為光波導(dǎo)、Birdbath、自由曲面和棱鏡等技術(shù)方案廠商。中游廠商常覆蓋多個(gè)光學(xué)方案，目前C端較為普及的是Birdbath方案，未來(lái)光波導(dǎo)方案有望成為業(yè)內(nèi)趨勢(shì)。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)22AR產(chǎn)業(yè)鏈下游為終端應(yīng)用品牌，B端應(yīng)用以提供云服務(wù)、AR本地部署為主。C端應(yīng)用(一)原理棱鏡方案作為AR商業(yè)化初始嘗試方案，技術(shù)成熟且成本低廉，但視場(chǎng)角、圖像呈現(xiàn)效果、重量等無(wú)法達(dá)到視場(chǎng)要求。棱鏡方案的光學(xué)顯示系統(tǒng)主要由微型投影儀和反射棱鏡組成。微型投影儀負(fù)責(zé)將圖像投影，棱鏡上的半透半反結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)將投影的光線反射到人眼的視網(wǎng)膜中，同時(shí)半透半反結(jié)構(gòu)透射環(huán)境信息，與投影圖像融合疊加，形成虛實(shí)結(jié)合的效果。但棱鏡方案存在視場(chǎng)角大小和體積大小的矛盾，提供的視場(chǎng)角越大，則棱鏡光學(xué)鏡片體積越大，且厚度越厚。如GoogleGlass的視場(chǎng)角僅有15度，但光學(xué)鏡片已達(dá)10mm厚度。盡管對(duì)棱鏡方案進(jìn)行改進(jìn)，如通過(guò)對(duì)基本AR光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和位置的改變來(lái)平衡視場(chǎng)角與體積之間的矛盾，但依然難以完全解決棱鏡技術(shù)本身視場(chǎng)角與體積重量的矛盾問(wèn)題。此外，由于透明棱鏡在強(qiáng)光下的顯示效果較差，為了保證顯示內(nèi)容足夠清晰，棱鏡方案通常采用包裹式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)品較厚，視場(chǎng)角偏小，AR體驗(yàn)感不強(qiáng)。因此雖然該方案技術(shù)成熟且量產(chǎn)成本低，但在新產(chǎn)品中應(yīng)用較少。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)23WiellsennXR棱鏡顯示方案技術(shù)發(fā)展歷程谷歌推出"拓展現(xiàn)鏡光學(xué)與硅基液晶微型顯示器的方案，方向智能眼鏡New800x480LCOS微型顯示器和光學(xué)棱鏡組合，視場(chǎng)角北京奧圖科技公司在CES上展示了自800x480LCOS學(xué)棱鏡組合技術(shù)，視場(chǎng)角為20°4388元，對(duì)光學(xué)棱鏡技術(shù)進(jìn)行革新，色彩。(二)核心廠商和應(yīng)用產(chǎn)品棱鏡方案廠商有耐得佳、瓏璟光電、舜宇等，棱鏡方案應(yīng)用產(chǎn)品如GoogleGlass,利用光學(xué)模組中呈45°角的棱鏡，反射微型顯示器(即LCOS屏)的影像到人眼。由于光學(xué)顯示系統(tǒng)處于人眼右前方，所以必須將實(shí)現(xiàn)聚焦在右前方才可以看到圖像信息，且視場(chǎng)角只有15°左右，棱鏡厚度則達(dá)10mm左右，所以產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后不久便因亮度不足、圖形畸變等問(wèn)題被公司撤回。棱鏡方案核心廠商及產(chǎn)品代表產(chǎn)品形態(tài)特點(diǎn)GoogleGlass鏡片式包含通話、信息和郵件的處理以及聲音控制拍照、地圖定位導(dǎo)航等功能，顛要了人12°~15°們對(duì)眼鏡的傳統(tǒng)觀念，并首次將智能眼鏡作為民用產(chǎn)品帶到我們的日常生活中，2015年停售。RealWear頭戴式全語(yǔ)音控制，詹解放雙手，支持嗜雜工業(yè)環(huán)境，用于專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)，智能巡檢，數(shù)字化協(xié)作，設(shè)備運(yùn)維和復(fù)雜的制造組裝等工作輔助。聯(lián)想NewGlass鏡片式分體式鏡架夾持式設(shè)計(jì)，可以將“智能眼鏡”夾持在消費(fèi)者已有的眼鏡鏡框上使用方便近視人群佩戴。北京奧圖CoolGlassOne鏡片式國(guó)內(nèi)首款支持中文語(yǔ)音操控的智能眼鏡。數(shù)據(jù)來(lái)源：wellsennXR整理維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)24(一)原理離軸透鏡方案光學(xué)原理利用半透半反鏡片實(shí)現(xiàn)顯示屏內(nèi)容的反射，現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息的透射，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)景物的疊加。離軸透鏡方案的光路是離軸的，其光路在光機(jī)外的空氣中傳播，顯示屏與鏡片分屬不同的模塊，所以體積相對(duì)較大，常以頭戴式產(chǎn)品呈現(xiàn)。離軸光學(xué)是最先運(yùn)用于AR中的光學(xué)方案，最早應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成熟，成本低，可實(shí)現(xiàn)較大的FOV,如2016年推出的Meta2采用離軸光學(xué)方案，能提供90°視場(chǎng)角。但采用離軸光學(xué)方案的產(chǎn)品體積在所有AR光學(xué)方案中最大，造型突出，導(dǎo)致應(yīng)用場(chǎng)景有限，且生成的全息影像不穩(wěn)定，隨環(huán)境變化較大，故而目前采用該方案的產(chǎn)品較少。(二)核心廠商和應(yīng)用產(chǎn)品離軸方案為早期AR光學(xué)應(yīng)用方案，因體積大、畫面容易受環(huán)境影響等原因，目前已經(jīng)較少出現(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)中。其應(yīng)用產(chǎn)品如2016年推出的Meta2,雖然視場(chǎng)角可以達(dá)到90°,場(chǎng)角，產(chǎn)品體積相對(duì)較小、重量較輕，使用更為靈活。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)25(一)原理自由曲面是一種有別于球面或者非球面的復(fù)雜非常規(guī)面形，即用來(lái)描述鏡頭表面面形的數(shù)學(xué)表達(dá)式相對(duì)比較復(fù)雜，往往不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。自由曲面方案中顯示屏發(fā)出的光投射到半透半反曲面鏡上，半透半反曲面鏡反射顯示屏圖像光線，同時(shí)透射現(xiàn)實(shí)環(huán)境光線，顯示屏圖像光線與環(huán)境光線同時(shí)進(jìn)入人眼，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的顯示效果。顯示屏的理想位置居中，并與鏡面平行。在理想位置上顯示源能夠覆蓋用戶的眼睛，所以大多數(shù)設(shè)計(jì)都將顯示器移至“軸外”,居中設(shè)置在額頭上方并與鏡面平行。凹面鏡上的畫面圖像存在畸變，需自由曲面的光路原理與離軸透鏡方案的相似，都是利用半透半反曲面鏡實(shí)現(xiàn)顯示屏圖像的反射，現(xiàn)實(shí)環(huán)境光的透射。區(qū)別在于離軸透鏡方案的光路在光機(jī)結(jié)構(gòu)外的空氣中傳播，顯示屏與鏡片并不是一個(gè)整體，所以體積難以縮小。而自由曲面的光路在光機(jī)內(nèi)部傳播，顯示屏與鏡片組成了一個(gè)整體，體積可以做得相對(duì)較小，從而以更輕便的形式呈現(xiàn)。自由曲面方案原理圖顯示屏屏幕光半透半反棱鏡環(huán)境光自由曲面按曲面鏡大小可分為大曲面和小曲面，大曲面的視場(chǎng)角更大、成像效果更好，小曲面則犧牲部分視場(chǎng)角，但眼鏡外觀更為小巧輕便，便于日常佩戴，性價(jià)比更高。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)26自由曲面棱鏡的非軸對(duì)稱性和多設(shè)計(jì)自由度，在非共軸系統(tǒng)中能修正系統(tǒng)的離軸像差，提高成像質(zhì)量。在同樣成像效果下，比共軸攝像物鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，比離軸攝像物鏡成本低視場(chǎng)角大。其方案優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟、成像效果好且光損低，但仍存在產(chǎn)(二)核心廠商和應(yīng)用產(chǎn)品自由曲面棱鏡技術(shù)是如今B端眼鏡中比較主流和代表性的技術(shù)方案。目前自由曲面光學(xué)方案廠商主要為耐德佳，其主要產(chǎn)品有自由曲面鉆石Pro、自由曲面AR光學(xué)模組等，其中2022年推出的自由曲面鉆石ProAR光學(xué)解決方案具備顯示清晰、鏡片輕薄、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。代表產(chǎn)品年份特點(diǎn)EPSONBT-300厚度、色彩、飽和度以及畫質(zhì)都非常好且采用分體式設(shè)計(jì)，體型小巧，便于攜帶，具有非常好的穿戴體驗(yàn)，缺點(diǎn)是視場(chǎng)角較小。亮風(fēng)臺(tái)-HiARGlasses30°~39°采用一體式設(shè)計(jì)，外形輕便，是首款搭載高通820的AR眼鏡，適用于工業(yè)、教育、醫(yī)療、旅游等眾多應(yīng)用場(chǎng)景。耐德佳-自由曲面鉆石Pro45°在AR光學(xué)的性能上已經(jīng)超越國(guó)外同類產(chǎn)品，具有極高的性價(jià)比。2022年公司新品自由曲面鉆石Pro具有高清、高亮、高透過(guò)特點(diǎn)，光線透過(guò)率60%,FOV達(dá)55°。數(shù)據(jù)來(lái)源：wellsennXR整理(一)原理Birdbath英文原意為鳥盆，意為鳥盆狀的凹面鏡將來(lái)自眼鏡頂部的微顯示屏光線匯聚，模擬在人眼固定距離對(duì)焦，再反射入人眼。其方案原理為圖像由顯示源投射，經(jīng)顯示屏上的透鏡變焦放大傳遞到偏振分束器上，偏振分束器將來(lái)自屏幕的光反射至半透半反曲面鏡，來(lái)自屏幕的光經(jīng)半透半反曲面鏡二次反射，偏振分束器透射，最終抵達(dá)人眼。同時(shí)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的光經(jīng)半透半反曲面鏡和偏振分束器的透射，最終抵達(dá)人眼。用戶能夠同時(shí)看到現(xiàn)實(shí)環(huán)境的真實(shí)對(duì)象以及由顯示器生成的數(shù)字影像。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)27Birdbath方案光路示意圖鏡頭鏡頭半透半反光損環(huán)境光—V4玻片—反射鏡—蓋板玻璃Birdbath方案屏幕光路結(jié)構(gòu)：1、由顯示屏發(fā)出的光經(jīng)線偏振片轉(zhuǎn)換成線偏振光，并通過(guò)顯示屏上的透鏡實(shí)現(xiàn)影像放大變焦，朝偏振分束器的方向投射；2、線偏振光經(jīng)偏振分束器分離成P線偏振光和S線偏振光，P線偏振光透射，S線偏振光反射，透射的P線偏振光沿著原來(lái)方向傳播，最終被模組邊緣抵消。反射的S線偏振光朝半透半反曲面鏡的方向繼續(xù)傳遞；3、S偏振光第一次經(jīng)過(guò)半透半反曲面鏡上的四分之一波片，轉(zhuǎn)換成圓偏振光；4、圓偏振光經(jīng)過(guò)曲面鏡上的半透半反膜，被分離成50%的透過(guò)光和50%的反射光，不改變光的偏振狀態(tài)；5、反射的圓偏振光第二次經(jīng)過(guò)半透半反曲面鏡的四分之一波片，轉(zhuǎn)換成線偏振光，同一方向的光兩次經(jīng)過(guò)四分之一波片，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)二分之一波片，偏振狀態(tài)不變，方向相反，所以由S偏振光轉(zhuǎn)換成了P偏振光；6、P偏振光經(jīng)過(guò)偏振分束器的透射，最終抵達(dá)人眼。偏振分束器與曲面鏡的透射和反射會(huì)導(dǎo)致光的損失，理論上最終入眼亮度約為屏幕亮度的25%。但由于光學(xué)元件吸收以及制造工藝問(wèn)題，實(shí)際光效率會(huì)低于25%。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)28Birdbath方案環(huán)境光路結(jié)構(gòu)：現(xiàn)實(shí)環(huán)境的光線依次經(jīng)過(guò)前偏振器(右側(cè)紅色虛線)、振器和兩組四分之一波片作用是將現(xiàn)實(shí)環(huán)境光線轉(zhuǎn)換成偏振器透射的P線偏振光。理論上入眼亮度為環(huán)境光的25%,但由于光學(xué)元件吸收以及制造工藝問(wèn)題，實(shí)際光亮度會(huì)低于理論Birdbath光學(xué)方案只有外側(cè)鏡片等少部分是玻璃材質(zhì)，其它都是塑料，中間部分填充空氣，因此整個(gè)光學(xué)模組重量很輕。光學(xué)硬件組件：分光鏡+凹面鏡視場(chǎng)：一般在50°左右光能利用率：分光鏡為偏振分束器和半透半反鏡，都會(huì)產(chǎn)生光損耗制造成本較低滿足投屏觀影類場(chǎng)景光損嚴(yán)重，環(huán)境光較暗，相當(dāng)于在室內(nèi)戴墨鏡目前Birdbath方案的生產(chǎn)工藝較為成熟，在依次組裝各光學(xué)元件后，對(duì)畫面進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行雙目標(biāo)定及振動(dòng)檢測(cè)，隨后通過(guò)性能檢測(cè)，不合格產(chǎn)品返廠維修，合格產(chǎn)品組裝密封檢驗(yàn)后入庫(kù)。Birdbath方案工藝流程圖開(kāi)始整機(jī)密封包裝入庫(kù)性能檢驗(yàn)返修凹面鏡密封雙目標(biāo)定組裝上蓋振動(dòng)檢測(cè)粘貼標(biāo)簽外觀檢驗(yàn)畫面檢測(cè)維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)29作為目前普及率較高的光學(xué)方案，Birdbath方案具有如下優(yōu)勢(shì)：1、成本低，大部分材料都基于塑料薄膜，唯一高成本在于顯示模組(MicroOLED屏幕);2、重量輕，尤其是空心的方案；3、搭配OLED類屏幕效果出色，且光效率比光波導(dǎo)高，圖像質(zhì)量也很好。方案的劣勢(shì)也很明顯：1、模組較厚，分束器厚度需與圖像寬度接近；2、透光率低，隔絕了約75%真實(shí)環(huán)境中的光線；3、視野受限，因?yàn)轫敳恳曇皫缀醣谎坨R本體遮擋，用戶只能直視或者向下看；4、出瞳距離較小。為了提高觀看舒適性，提高出瞳距離，需要更大、更厚的設(shè)計(jì)；5、尺寸、重量因素限制OLED亮度選擇，Birdbath光效通常在15%左右，800nit亮度的OLED入眼會(huì)更低；6、漏光，即便使用前偏振膜，入眼的光仍有5%向前方反射，隱私性較差。(二)基于Birdbath光學(xué)方案的單光源雙目顯示傳統(tǒng)Birdbath光學(xué)方案受限于光路設(shè)計(jì)，模組體積較厚，F(xiàn)OV難以增大，且整機(jī)方案下，雙MicroOLED屏幕仍會(huì)導(dǎo)致最終成本較高，因此為提高FOV,進(jìn)一步降低整機(jī)成本，在Birdbath光學(xué)方案的基礎(chǔ)上，鳳凰光學(xué)首先推出了單屏幕分光顯示方案。單光源雙目顯示系統(tǒng)示意圖顯示屏透鏡反射棱鏡分光棱鏡Birdbath鏡片(左目)透鏡反射棱鏡Birdbath鏡片(右目)顯示屏顯示屏分光棱鏡半透半反曲面鏡偏振分束器反射棱鏡正視圖側(cè)視圖維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)30單屏幕分光顯示方案可分為兩種，空分光導(dǎo)(BM)和臨界光導(dǎo)(BP)。其原理為利用分光棱鏡將單一屏幕的光分成兩份沿不同方向傳播的光，利用透鏡系統(tǒng)將兩路光線變焦放大，通過(guò)兩個(gè)反射棱鏡，將兩路光線分別導(dǎo)入Birdbath光學(xué)鏡片中，經(jīng)模組中的半透半反膜以及曲面鏡折疊光路，實(shí)現(xiàn)屏幕光到人眼的傳播。在該方案中，光源僅由單一屏幕提供，降低了整機(jī)功耗、重量以及成本，同時(shí)光學(xué)透鏡以及反射棱鏡進(jìn)一步延長(zhǎng)了光路，可在同等屏幕尺寸下，降低光學(xué)模組的厚度，提高光學(xué)模組的FOV。缺點(diǎn)是該方案下對(duì)單一光源的亮度要求較高，光損耗較大，漏光問(wèn)題仍然存在，且無(wú)法完全避免Birdbath光學(xué)方案FOV與模組體積的矛盾。(二)核心廠商和應(yīng)用產(chǎn)品Birdbath光學(xué)方案以其高畫質(zhì)、小體積、輕重量等特點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為適合應(yīng)用在多。目前國(guó)內(nèi)Birdbath方案的代表廠商有惠?？萍肌Ⅷ櫹伖怆?、水晶光電和Xreal等。其中惠?？萍继峁┝硕鄠€(gè)規(guī)格的Birdbath方案光學(xué)模組，其模組重量被控制在5g至9.5g內(nèi)，畫面畸變也控制在了0.6%至1.0%的水平，F(xiàn)OV最高可達(dá)50°。目前Rokid已使用惠牛CA43模組推出了RokidAir眼鏡，重量?jī)H83g,支持3D觀影和全景視頻。代表產(chǎn)品發(fā)布年份特點(diǎn)43°重92g,設(shè)計(jì)上接近普通眼鏡，將手機(jī)作為計(jì)算終端，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸即插即用。整機(jī)重量?jī)H85g,500度以內(nèi)近視可調(diào)節(jié)產(chǎn)品面向C端客戶，外形時(shí)尚美觀。雷鳥Air47°整機(jī)重量75g,邊框采用透明尼龍材料柔韌耐刮：鼻墊360°雙向可調(diào)節(jié)，鏡腿支持30°調(diào)整。設(shè)備搭載OLED材質(zhì)的雙目全高清顯示屏，色彩艷麗、層次分明。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)31光學(xué)作為AR智能眼鏡核心技術(shù)之一，其模組很大程度上決定了產(chǎn)品體積重量、外觀設(shè)計(jì)、佩戴體驗(yàn)、產(chǎn)品定位和應(yīng)用場(chǎng)景等。在AR眼鏡呈輕量化的趨勢(shì)下，光波導(dǎo)由于形態(tài)輕薄具備長(zhǎng)時(shí)間佩戴的可能，同時(shí)具備清晰、透亮、大FOV等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是AR眼鏡的發(fā)展方向和未來(lái)形態(tài)。(一)原理概述AR光波導(dǎo)方案一般由光機(jī)、波導(dǎo)和耦合器三部分組成。光機(jī)負(fù)責(zé)顯示圖像的輸出，將微型顯示器發(fā)出的光線準(zhǔn)直后投射到耦合器中。波導(dǎo)是傳導(dǎo)各種波的裝置，光波導(dǎo)則負(fù)責(zé)引導(dǎo)光波在介質(zhì)中進(jìn)行傳播，在光波導(dǎo)方案中用于顯示圖像的光傳遞。耦合器分為耦出區(qū)域和耦入?yún)^(qū)域，光耦合是將光從一個(gè)光學(xué)元件引入到另一個(gè)光學(xué)元件中的過(guò)程，光波導(dǎo)耦合指將一個(gè)模式的功率完全轉(zhuǎn)移到同一波導(dǎo)的另一模式之中，或在兩個(gè)波導(dǎo)件之間實(shí)現(xiàn)能量交換。在光波導(dǎo)方案中，耦入?yún)^(qū)域的耦合器負(fù)責(zé)將來(lái)自光機(jī)的光引導(dǎo)進(jìn)光波導(dǎo)中，耦出區(qū)域的耦合器負(fù)責(zé)將波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庖龑?dǎo)向人眼。個(gè)耦入?yún)^(qū)域個(gè)耦入?yún)^(qū)域耦出區(qū)域微投影光機(jī)光波導(dǎo)方案的原理為光機(jī)內(nèi)的微型顯示器發(fā)出的光線，通過(guò)透鏡組被入耦合器件耦入光波導(dǎo)鏡片中，在波導(dǎo)內(nèi)以全反射的形式向前傳播，到達(dá)出耦合器件時(shí)被耦出光波導(dǎo)后進(jìn)入人眼成像。由于波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)光路折疊的效果，光波導(dǎo)裝置一般體積相對(duì)較小，模組厚度較薄。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)32相比傳統(tǒng)光學(xué)方案，光波導(dǎo)具備如下特點(diǎn)：1、動(dòng)眼框范圍增大，在增加適用人群范圍的同時(shí)提高佩戴舒適性；2、投影光機(jī)可旁置，避免遮擋視線；3、高透光率，提高了數(shù)字影像與環(huán)境的交互感，并且提高了安全性；4、輕薄，外觀接近于傳統(tǒng)眼鏡樣式，更有利于日?；褂谩Ｔ诒ＷC顯示質(zhì)量的前提下，將產(chǎn)品做薄、做小，提高佩戴舒適性和安全性，有利于日常化使用，是AR產(chǎn)品市場(chǎng)化的必要因素，因此，光波導(dǎo)技術(shù)被視為AR眼鏡的未來(lái)趨勢(shì)。(二)光波導(dǎo)分類根據(jù)光進(jìn)出波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)及其光學(xué)原理的不同，光波導(dǎo)技術(shù)可分為幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)、混合光波導(dǎo)以及孔陣光波導(dǎo)四個(gè)方向。光波導(dǎo)方案分類光波導(dǎo)技術(shù)光波導(dǎo)技術(shù)耦合器件配置幾何光波導(dǎo)衍射光波導(dǎo)光柵類型偏振體全息光陣列光波導(dǎo)表面浮雕光柵體全息光柵柵混合光波導(dǎo)孔陣光波導(dǎo)目前主流方案為幾何光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)。幾何光波導(dǎo)依靠光的反射進(jìn)出光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，主要為采用半透半反鏡面陣列的陣列光波導(dǎo)。衍射光波導(dǎo)依靠光的衍射進(jìn)出光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，根據(jù)耦入/耦出區(qū)域所使用光柵類型的不同，分為表面浮雕光柵波導(dǎo)SRG、體全息光柵波導(dǎo)VHG以及偏振體全息光柵波導(dǎo)PVG。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)33主要技術(shù)路徑幾何光波導(dǎo)浮昨浮昨體全息光柵波導(dǎo)半透半反鏡全點(diǎn)光學(xué)元件(照入)平面波導(dǎo)(反射面)全點(diǎn)光學(xué)元件(輛出)示意圖(反射面》優(yōu)點(diǎn)色彩還原度高，色差小尺寸小，出瞳大，亮度高尺寸小，出瞳大，亮度高廠商陣營(yíng)Lumus,Optivent,靈犀，理湃Microsoft,MagicLeap,BAE,Waveoptic,Vuzix,DispelixSony,TruelifeOptics,Digilens,Akonia光能利用率一維10%~15%二維5%光耦合器半透半反鏡面陣列表面浮雕光柵體全息光柵偏色微小嚴(yán)重較嚴(yán)重最大視場(chǎng)角Lumus50°HoloLens252°Digilens35°制造工藝傳統(tǒng)光學(xué)冷加工鍍膜/貼合/切割半導(dǎo)體微納加工納米壓印激光全息干涉幾何光波導(dǎo)利用的是光的反射，因此顯示畫面質(zhì)量較好，色彩還原度高，色差小，但由于制造工藝復(fù)雜，良率較低，因此生產(chǎn)成本較高。而表面浮雕光柵波導(dǎo)以及體全息光柵波導(dǎo)都采用了光的衍射效應(yīng)，存在散射、彩虹效應(yīng)等問(wèn)題，因此畫面顯示較差，偏色嚴(yán)重。但在制造工藝方面，納米壓印、刻蝕工藝以及激光全息干涉工藝良率較高，因此生產(chǎn)成本較低。偏振體全息光柵波導(dǎo)則目前仍處于研發(fā)驗(yàn)證階段。混合光波導(dǎo)和孔陣光波導(dǎo)混合光波導(dǎo)在兩種主流方案外還有混合光波導(dǎo)和孔陣光波導(dǎo)?；旌瞎獠▽?dǎo)采用偏振折返式光學(xué)，去除了體積較大的光機(jī)模組，采用薄板式光源，使得落地產(chǎn)品鏡腿可做成普通眼鏡的形態(tài)；孔陣光波導(dǎo)采用孔陣(小孔成像)的光學(xué)技術(shù)，利用小孔成像原理反射光線透過(guò)人眼瞳孔并在眼底成像，多個(gè)小孔起到擴(kuò)瞳的作用，使得在不同位置觀察也能看到相同圖像，可以達(dá)到提升視場(chǎng)角、實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳且圖像質(zhì)量較好的目的，但存在光效低、鏡片厚重和小孔影響視覺(jué)體驗(yàn)等問(wèn)題，迄今落地產(chǎn)品較少。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)34(三)幾何光波導(dǎo)幾何光波導(dǎo)以陣列光波導(dǎo)為主要研究方向，利用半透半反鏡面陣列反射圖像信息，服從入射角等于反射角的光路定律，因此可以獲得無(wú)散射的高畫質(zhì)圖像顯示。陣列光波導(dǎo)采用傳統(tǒng)光學(xué)冷加工工藝，目前已經(jīng)過(guò)幾輪工藝迭代，現(xiàn)階段在顯示、光機(jī)體積和成本等方1、技術(shù)原理在陣列光波導(dǎo)中，光束一般由一個(gè)反射面或者棱鏡耦合進(jìn)入波導(dǎo)，在多次全反射后進(jìn)入半透半反鏡面陣列。半透半反鏡面陣列朝人眼位置反射光線，出射光較為均勻，且光束分批多次出射可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳技術(shù)、增大動(dòng)眼眶范圍等。其中，半透半反鏡面是嵌入到玻璃基底并與傳輸光線形成特定表面角度的陣列，每個(gè)鏡面將部分光線朝人眼方向反射出波導(dǎo)，其余光線經(jīng)鏡面透射，繼續(xù)在波導(dǎo)中前進(jìn)至遇到下一個(gè)半透半反鏡面。鏡面陣列的最后一個(gè)鏡面仍為半透半反鏡片，一部分光線反射，剩余部分光線透射。透射的光線會(huì)傳遞到波導(dǎo)片邊緣，被波導(dǎo)片邊緣上的黑漆或其他可吸收光線的材質(zhì)吸收，這部分光線會(huì)白白丟失掉，也不會(huì)對(duì)成像造成干擾。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)352、一維擴(kuò)瞳和二維擴(kuò)瞳不同性別和年齡的人雙眼瞳孔間距可能從51mm到77mm不等，如果近眼顯示系統(tǒng)的光學(xué)中心依據(jù)瞳距的平均值(63.5mm)位置來(lái)設(shè)計(jì)，則將有很大一部分人看不到清晰的圖像甚至完全接收不到圖像。在傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中，圖像通常只有一個(gè)"出口",即出瞳，而陣列光波導(dǎo)的半透半反鏡面陣列將出瞳沿水平方向復(fù)制了多份，每一個(gè)出瞳都輸出相同的圖像，使得眼睛在橫向移動(dòng)時(shí)能看清圖像，適配更大的瞳距范圍，這就是一維擴(kuò)瞳技術(shù)(1D一維擴(kuò)瞳在一維擴(kuò)瞳陣列光波導(dǎo)產(chǎn)品中，光機(jī)體積與產(chǎn)品的FOV(視場(chǎng)角)成正相關(guān)，F(xiàn)OV越大，光學(xué)模組體積越大。針對(duì)該局限，二維陣列光波導(dǎo)方案應(yīng)運(yùn)而生，用于解決一維擴(kuò)瞳陣列光波導(dǎo)光機(jī)體積與FOV之間的矛盾。在同等FOV的要求下，二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品可以做到比一維擴(kuò)瞳產(chǎn)品更小的光學(xué)模組體積。在同等的光學(xué)模組體積要求下，二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品可以做到比一維擴(kuò)瞳產(chǎn)品更大的FOV。光柵式二維擴(kuò)瞳維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)36在二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品中，顯示屏發(fā)出的光經(jīng)耦合裝置耦入波導(dǎo)中，進(jìn)入波導(dǎo)的光依次通過(guò)第一半透半反鏡面陣列和第二半透半反鏡面陣列，第一半透半反鏡面陣列使得顯示屏發(fā)出的光在Y方向上實(shí)現(xiàn)復(fù)制，第二半透半反鏡面陣列使得經(jīng)第一半透半反鏡面陣列復(fù)制的光在X方向上實(shí)現(xiàn)復(fù)制，達(dá)到顯示屏發(fā)出的光在X和Y兩個(gè)方向上都實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳的效果。二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品通過(guò)在X、Y軸方向?qū)饩€進(jìn)行多次擴(kuò)展，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直和水平雙向出瞳擴(kuò)展，從而有效地增加出瞳和Eyebox大小，顯著減少耦入部分投影光機(jī)的體積，實(shí)現(xiàn)陣列光波導(dǎo)方案核心光學(xué)器件小型化、輕量化。為高顯示要求、深沉浸、強(qiáng)交互和高度集成目前二維擴(kuò)展設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于陣列光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及膜層較多，半透半反鏡面陣陣列光波導(dǎo)特性及優(yōu)劣勢(shì)鏡面反射，能夠100%還原入射光線繁瑣優(yōu)劣勢(shì)光波導(dǎo)總體而言，擴(kuò)瞳技術(shù)能夠擴(kuò)大FOV和動(dòng)眼框范圍的同時(shí)不出現(xiàn)重影，解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中機(jī)械設(shè)計(jì)容差、產(chǎn)品規(guī)格數(shù)目、用戶交互體驗(yàn)等問(wèn)題，將AR眼鏡向消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)大大推動(dòng)了一步。陣列光波導(dǎo)在延續(xù)光波導(dǎo)優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，擁有雜散光少、能量分布均勻、FOV較大等優(yōu)勢(shì)，但復(fù)制出瞳導(dǎo)致總的出光面積增大，進(jìn)而每一個(gè)出瞳位置的通光量減少，降低了幾何光波導(dǎo)的光效率，且制備工藝繁瑣并環(huán)環(huán)緊扣，良率的提高相對(duì)困難。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)37目前國(guó)內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)布局陣列光波導(dǎo)較多，已解決一維擴(kuò)瞳設(shè)計(jì)技術(shù)和量產(chǎn)的難題實(shí)現(xiàn)小規(guī)模出貨，轉(zhuǎn)向攻克二維擴(kuò)瞳技術(shù)的落地。應(yīng)用二維擴(kuò)瞳技術(shù)的陣列光波導(dǎo)方案能夠有效增加出瞳距離和動(dòng)眼眶范圍，在減輕光機(jī)體積的同時(shí)增大FOV至50度以上，為陣列光波導(dǎo)方案推廣至消費(fèi)級(jí)AR應(yīng)用提供了可能性。3、生產(chǎn)工藝流程幾何光波導(dǎo)制造的原材料為普通的光學(xué)玻璃，成本相對(duì)較低。采用傳統(tǒng)的光學(xué)冷加工工藝，加工流程主要為研磨、拋光、鍍膜和貼合。首先通過(guò)切割玻璃基材獲得各種規(guī)格的波導(dǎo)小棱鏡，然后對(duì)小棱鏡進(jìn)行粗磨、精磨與拋光，之后在小棱鏡上分別鍍上不同膜系的薄膜獲得不同的反射/透射比，最后對(duì)小棱鏡進(jìn)行貼合并固定為表面光滑的波導(dǎo)片，通過(guò)測(cè)角儀、干涉儀等儀器對(duì)波導(dǎo)片進(jìn)行檢測(cè)。其中主要的工藝難點(diǎn)為多片玻璃的貼合以及鍍膜和切割精度的保證。鍍膜工藝，主要涉及半透半反鏡面陣列的鍍膜。由于光在傳播過(guò)程中面臨能量損耗，陣列中每一個(gè)鏡面都需要不同的反射透射比(R/T)以保證整個(gè)動(dòng)眼框范圍內(nèi)的出光量是均勻的，每個(gè)膜層的厚度以納米為單位，對(duì)鍍膜工藝要求極高。同時(shí)，由于幾何波導(dǎo)傳播的光通常是偏振的，每個(gè)玻璃上的高精密鍍膜層數(shù)可能高達(dá)幾十層。陣列光波導(dǎo)工藝流程對(duì)玻璃基材進(jìn)行切割切割對(duì)每種規(guī)格波導(dǎo)小棱鏡進(jìn)行粗磨、精磨、拋光研磨、拋光按順序?qū)?種小棱鏡進(jìn)行膠合操作，共膠合8次膠合等儀器對(duì)光波導(dǎo)片進(jìn)行檢測(cè)檢測(cè)采購(gòu)采購(gòu)光學(xué)玻璃基材切割成大小不一的9種規(guī)格波導(dǎo)小棱鏡鍍膜對(duì)9種小棱鏡分別鍍不同膜系，其中包含6個(gè)分光小斜面鍍分光膜固化固化成一個(gè)整體，表面光滑，無(wú)起伏維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)38貼合工藝主要分為膠合與鍵合兩大類。光學(xué)零件的膠合原理是光學(xué)材料與光學(xué)膠之間發(fā)生機(jī)械結(jié)合、物理吸附、靜電引力、互相擴(kuò)散、形成化學(xué)鍵等作用，使光學(xué)零件和光學(xué)膠之間產(chǎn)生粘結(jié)力，從而將光學(xué)零件結(jié)合在一起。結(jié)合力的大小與膠合材料、光學(xué)材料等有關(guān)系。傳統(tǒng)光學(xué)膠膠合加工工藝的劣勢(shì)在于：1、膠合工藝逐層加工的難度大，且對(duì)良率影響風(fēng)險(xiǎn)高，難以大批量生產(chǎn)；2、膠合采用的高分子膠黏劑固化也會(huì)引入流平性差、固化不完全、折射率和收縮系數(shù)差異大等問(wèn)題，影響顯示效果(雜散光、偏色等);3、玻璃的折射率和光學(xué)膠的折射率不同，更大FOV的波導(dǎo)要求更大FOV的玻璃基材和光學(xué)膠，但大折射率的光學(xué)膠較少且不一定與玻璃基材適配；4、膠合層長(zhǎng)時(shí)間曝露受環(huán)境影響，可能會(huì)產(chǎn)生老化、收縮、開(kāi)裂、變色等問(wèn)題，影響顯示效果和產(chǎn)品壽命。膠合工藝流程圖加熱鍵合技術(shù)是一種將兩個(gè)固體表面通過(guò)物理或者化學(xué)作用力連接起來(lái)，以得到具有一定力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)或光學(xué)特性的鍵合界面的技術(shù)。分子鍵合工藝在分子層面使貼合層形成新的穩(wěn)定的分子鍵，以分子作用力使貼合面緊密平整地結(jié)合在一起，從而加強(qiáng)鍵合強(qiáng)度、提升貼合面平整度、減小相對(duì)間距，有利于提升產(chǎn)品的鍵合良率和顯示效果。此外，分子鍵合工藝采用自動(dòng)化設(shè)備加工，可以同時(shí)完成多批次、大批量的生產(chǎn)，并大幅度提高生產(chǎn)良率?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，分子鍵合工藝成為二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品解決技術(shù)突破和量產(chǎn)良率的技術(shù)保鍵合工藝流程圖等離子激活晶圓鍵合鍵合后退火襯底移除Al?O?InGaAsInP維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)39膠合示意圖原理將兩個(gè)或兩個(gè)以上的光學(xué)元件彼此吻合的光學(xué)表面，用光學(xué)膠按照一定技術(shù)要求粘結(jié)成為光學(xué)將拋光好的表面清洗后進(jìn)行光膠，在較高的溫度和壓力下，讓表面的鍵合膜層相互擴(kuò)散，形成在超高真空環(huán)境下，對(duì)拋光好的激光元件用離子源轟擊，以去除表面吸附的污染物和表面氧化層并打斷表面的化學(xué)鍵，形成具有高表面能的界面。界面吸收損耗小優(yōu)點(diǎn)工藝成熟且較簡(jiǎn)單消除菲涅爾反射鍵合強(qiáng)度大界面面形變化較小鍵合強(qiáng)度大界面吸收小界面面形變化小缺點(diǎn)逐層加工難，良率低適配膠水難找光學(xué)膠老化等問(wèn)題影響顯示效果和產(chǎn)品壽命界面吸收損耗大鍵合強(qiáng)度小界面面形變化大鍵合環(huán)境要求苛刻鍵合設(shè)備昂貴數(shù)據(jù)來(lái)源：wellsennXR整理目前幾何陣列光波導(dǎo)通過(guò)陣列反射鏡堆疊實(shí)現(xiàn)圖像的輸出和動(dòng)眼框的擴(kuò)大，圖像質(zhì)量包括顏色和對(duì)比度都可以達(dá)到較高水準(zhǔn)，但在生產(chǎn)中仍面臨著三個(gè)難點(diǎn)：一是耦入部分的體積難以縮??；二是陣列光波導(dǎo)固有的明暗條紋問(wèn)題；三是量產(chǎn)難度大。由于制造工藝繁瑣，即使每一步工藝都可以達(dá)到高良率，幾十步結(jié)合起來(lái)的總良率仍較低，每一步工藝的失敗都可能導(dǎo)致成像出現(xiàn)瑕疵，常見(jiàn)問(wèn)題有背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。能大規(guī)模量產(chǎn)的眼鏡產(chǎn)品較少。4、核心廠商及應(yīng)用產(chǎn)品陣列光波導(dǎo)方案自推出以來(lái)，技術(shù)演變呈FOV不斷增大、透光率不斷提高和眼鏡重量不斷減輕等趨勢(shì)，佩戴體驗(yàn)不斷提升。維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)40WiellsennXR陣列光波導(dǎo)發(fā)展歷程影創(chuàng)發(fā)布智能眼鏡Air,光學(xué)系統(tǒng)采用陣列光波導(dǎo)配合OLED顯示光源，視場(chǎng)角為34°,是國(guó)內(nèi)首款量產(chǎn)級(jí)雙目智能眼鏡。目光波導(dǎo)眼鏡LEION,30°,眼鏡整體重量為79g,基本保證佩戴的舒適性。Lumus在CES上展示了DK-Vision開(kāi)發(fā)套件，一系列偏振半反射鏡，充當(dāng)垂直FOV和瞳孔擴(kuò)展器，僅遮擋約20%的40°FOV,全高清分辨率保真度高。幾何陣列光波導(dǎo)國(guó)外有Lumus,國(guó)內(nèi)有靈犀微光、理派光晶、亮亮視野等。Lumus是位于以色列的AR眼鏡光學(xué)方案廠商，一直在研發(fā)波導(dǎo)式AR光學(xué)方案。Lumus以反射波導(dǎo)為核心，以AR光學(xué)專利制造壁壘。在CES2023期間，Lumus推出了其下一代Z-LensMaximus2D波導(dǎo)設(shè)計(jì)，這為輕量化AR眼鏡的出現(xiàn)鋪平了道路。升級(jí)后的Z-Lens優(yōu)勢(shì)在于光學(xué)引擎體積減少了50%,使得終端制造商在放置波導(dǎo)孔徑的位置上擁有更大的自由度。陣列光波導(dǎo)方案核心廠商及應(yīng)用產(chǎn)品公司靈犀微光2D-40理派光晶LPM24亮亮視野L-PAT35FOV(°)亮度>3000nits/WLED500-1000nits>800nits最高分辨率模組厚度<1.5/透過(guò)率(%)重量(g)//維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)41(四)衍射光波導(dǎo)衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)主要由微投影光機(jī)、波導(dǎo)元件以及衍射光柵組成，利用衍射光柵的衍射特性來(lái)設(shè)計(jì)光路。其中微投影光機(jī)影響顯示畫面的圖像質(zhì)量，波導(dǎo)元件負(fù)責(zé)顯示畫面的衍射光波導(dǎo)原理為微投影光機(jī)將微型顯示屏發(fā)出的光準(zhǔn)直為平行光后，朝耦入?yún)^(qū)域投射，經(jīng)耦入?yún)^(qū)域耦入到波導(dǎo)中，以全反射(TIR)形式向前傳播，多次全反射后經(jīng)耦出區(qū)域在AR光學(xué)中，彩色顯示是用戶的主要需求之一。不同的光學(xué)方案由于使用的光學(xué)部件不同，也存在一定差異。其中棱鏡方案、離軸透鏡方案、Birdbath方案、幾何光波導(dǎo)方案都是基于光的反射原理，所以全彩化顯示主要基于屏幕的彩色顯示；而衍射光波導(dǎo)基于光的衍射原理，不同的波長(zhǎng)存在不同的衍射角度，全彩化顯示需要在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微投影光機(jī)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，單層的光波導(dǎo)只能顯示較窄的視場(chǎng)，不同波長(zhǎng)的光在衍射光柵中的衍射角度也不同，會(huì)導(dǎo)致不同顏色的光在人眼中形成不均勻的影像，即彩虹效應(yīng)。通過(guò)多層彩虹效應(yīng)示意圖維深wellsennXR內(nèi)容專題報(bào)告：從離軸透鏡到光波導(dǎo)42但多層波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)彩色顯示也有相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)：一是角度均勻性和位置均勻性匹配問(wèn)題，不同的波長(zhǎng)在耦入?yún)^(qū)域具有不同的衍射角度，而在耦出區(qū)域中有相同出射方向的要求，所以在角度和位置上需要做到合理的匹配；二是不同波導(dǎo)的衍射效率匹配問(wèn)題，不同波長(zhǎng)的光衍射效率不同，存在不同程度的色散和能量浪費(fèi)，不同的衍射效率，會(huì)導(dǎo)致部分顏色過(guò)亮或過(guò)暗的現(xiàn)象；三是重量和厚度的問(wèn)題，多層波導(dǎo)會(huì)增加系統(tǒng)的厚度和重量，降低了佩戴舒適性。在微投影光機(jī)上，衍射光波導(dǎo)基于光的衍射原理，其光學(xué)效率較低，因此需采用具有較高亮度的光引擎，如LCoS、DLP、LBS,但這些光引擎體積較大，難以符合AR眼鏡呈輕薄的發(fā)展趨勢(shì)。而MicroLED基于高集成電路工藝，具有亮度高、尺寸小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，更契合光波導(dǎo)的發(fā)展理念，逐漸成為光波導(dǎo)搭配的首要選擇。但MicroLED在單色顯示上較為成熟，在全彩化顯示上仍處于研發(fā)驗(yàn)證階段，且存在多條技術(shù)發(fā)展路徑，主要分為單片全彩和三片全彩。單片全彩方案采用量子點(diǎn)或堆疊等技術(shù)，如部分初創(chuàng)企業(yè)使用量子點(diǎn)(QD)進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)彩色化MicroLED。量子點(diǎn)是一種尺寸極小的晶體顆粒，其光學(xué)性質(zhì)在于受到激發(fā)后，會(huì)發(fā)出不同顏色的高質(zhì)量單色光，通過(guò)控制晶體顆粒的尺寸大小，可實(shí)現(xiàn)不同顏色光的控制。利用單色MicroLED+量子點(diǎn)激發(fā)光的方式，可實(shí)現(xiàn)基于紅、綠、藍(lán)三色光的全彩化顯示。但是這種色彩轉(zhuǎn)換方法的最大亮度和器件壽命都有很大限制，原因是量子點(diǎn)壽命會(huì)隨著激發(fā)光通量密度和MicroLED結(jié)溫的增加而顯著降低。其他基于外延的三色集成技術(shù)，如多色外延層、選擇性區(qū)域外延、再生長(zhǎng)、納米結(jié)構(gòu)和3D結(jié)構(gòu)等技術(shù)路徑，尚未有像素間距小于10um的原型展示。全彩化顯示方案示意圖單片全彩