年中Snap以超5億美元收購(gòu)全球領(lǐng)先光學(xué)模組供應(yīng)商WaveOptics，關(guān)于AR眼鏡的光學(xué)路徑再度引起業(yè)內(nèi)討論與思考。

各大巨頭紛紛押寶AR眼鏡在未來(lái)將成主流，而AR ToC其中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是硬件形態(tài)的優(yōu)化。“作為AR眼鏡中最關(guān)鍵、也是最稀缺的核心器件”，光學(xué)顯示模組在技術(shù)上的每一小步，都預(yù)示著AR ToC的一大步。

在AR產(chǎn)業(yè)鏈中，相對(duì)下游廠商蓄勢(shì)待發(fā)，上游光波導(dǎo)模組制造商極度短缺，由于技術(shù)工藝極度精尖復(fù)雜，世界范圍內(nèi)擁有量產(chǎn)能力的光波導(dǎo)模組供應(yīng)商可以說(shuō)是鳳毛麟角。而對(duì)于光波導(dǎo)之于AR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，行業(yè)人士又有什么樣的見(jiàn)解？

本期MAD Gaze榮幸邀請(qǐng)了三位資深光學(xué)專家，共同探討光波導(dǎo)的現(xiàn)狀、應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

淺談光波導(dǎo)的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

（從左到右）

1號(hào)嘉賓：焦亞超 | 耐德佳CMO

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)碩士。曾任職某上市公司駐美代表，在硅谷運(yùn)營(yíng)科技創(chuàng)新企業(yè)孵化器。17年加入耐德佳，帶領(lǐng)市場(chǎng)銷售團(tuán)隊(duì)服務(wù)全球500強(qiáng)企業(yè)，并拿下多家大廠量產(chǎn)訂單，是業(yè)內(nèi)為數(shù)不多具備數(shù)千萬(wàn)級(jí)AR光學(xué)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的銷售帶頭人。

2號(hào)嘉賓：鄭昱 | 靈犀微光創(chuàng)始人&CEO

畢業(yè)于北京大學(xué)量子電子研究所。專注于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR光學(xué)顯示技術(shù)的研究，已獲近50項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，秉承著讓用戶使用AR眼鏡可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景同時(shí)體積形態(tài)又跟普通眼鏡一樣的理念，致力于推動(dòng)光學(xué)顯示技術(shù)創(chuàng)新、消費(fèi)級(jí)AR變革發(fā)展。

3號(hào)嘉賓：周明 | MAD Gaze光學(xué)專家

在中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所獲得光學(xué)工程博士學(xué)位，先后在中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司任職。目前主要從事基于近眼顯示技術(shù)的幾何光學(xué)和衍射光學(xué)組件開(kāi)發(fā)。

Q：作為AR底層技術(shù)，光學(xué)顯示一直是消費(fèi)級(jí)AR產(chǎn)品的核心。目前市面上多種光學(xué)方案并存，從棱鏡、自由曲面、到BB，再到光波導(dǎo)等，未來(lái)哪種光學(xué)顯示方案將成為主流？為什么呢？

焦亞超：這里要界定一下，未來(lái)是多久，5年、10年、還是20年？如果以5年為準(zhǔn)，5年以內(nèi)消費(fèi)級(jí)AR產(chǎn)品光學(xué)的主流是“自由曲面棱鏡”。5年以后，我猜測(cè)可能是自由曲面+波導(dǎo)。首先，自由曲面，不單指一種AR光學(xué)產(chǎn)品形態(tài)，而是一種高級(jí)的光學(xué)面型描述，可以應(yīng)用在幾乎所有的光學(xué)產(chǎn)品中，用于提升光效、縮小體積、提升顯示清晰度等。例如8月10日小米發(fā)布會(huì)上，攝像頭技術(shù)就應(yīng)用了自由曲面技術(shù)。如果還有AR光學(xué)公司講自由曲面是落后技術(shù)，就有理由懷疑這家公司的專業(yè)度。

消費(fèi)級(jí)AR光學(xué)產(chǎn)品，所謂“消費(fèi)級(jí)”，基本要求是外觀輕薄+續(xù)航長(zhǎng)+成本低+可大規(guī)模供貨。上述幾個(gè)要求對(duì)應(yīng)光學(xué)模組而言，就是“厚度薄”（這里很重要，不能只看光學(xué)鏡片的厚度，要看整個(gè)光學(xué)模組的厚度），“光效高”（決定是否可以做一體機(jī)，以及續(xù)航夠久），“成本低”（光學(xué)模組元器件是否涉及獨(dú)供）及“可量產(chǎn)性”（光學(xué)模組系統(tǒng)是否復(fù)雜）?；诖?，目前結(jié)構(gòu)輕薄且造型接近普通眼鏡的自由曲面棱鏡，就具備如上四個(gè)特性。

至于5年后，還需要看未來(lái)3年的技術(shù)進(jìn)步水平，如果沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破，理論上未來(lái)還要再等等。

鄭昱：現(xiàn)在世界范圍內(nèi)的光學(xué)顯示技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了好幾個(gè)階段的變革，目前市場(chǎng)上比較成熟的光學(xué)顯示方案包括棱鏡、自由曲面、BB以及光波導(dǎo)方案，前三種方案在體積、視場(chǎng)角、透明度上并不能使AR眼鏡成為輕量化的產(chǎn)品，而且影響穿戴體驗(yàn)感。而光波導(dǎo)可以解決視場(chǎng)角和體積之間的天然矛盾，不論從光學(xué)效果、外觀形態(tài)，和量產(chǎn)前景來(lái)說(shuō)，光波導(dǎo)都具備非常好的發(fā)展?jié)摿?，很有可能?huì)是讓AR眼鏡走向消費(fèi)級(jí)的不二之選，我們靈犀微光一直在光波導(dǎo)技術(shù)方面深耕，在光波導(dǎo)領(lǐng)域也已經(jīng)突破多項(xiàng)生產(chǎn)工藝難題。

周明：目前市面上大部分產(chǎn)品是棱鏡和BirdBath產(chǎn)品,例如MAD Gaze推出的GLOW Plus等產(chǎn)品。這種產(chǎn)品具有大視場(chǎng)，色彩鮮艷等特點(diǎn)。適合于閱讀，影視觀看等領(lǐng)域應(yīng)用。光波導(dǎo)方案可以有效的降低產(chǎn)品鏡片厚度，減小重量，使得AR產(chǎn)品更像一款傳統(tǒng)眼鏡，并可以實(shí)現(xiàn)近視矯正功能。將會(huì)是2-3年后的主流近眼光學(xué)顯示方案。主要應(yīng)用場(chǎng)景包括導(dǎo)航，信息交互，專業(yè)繪圖設(shè)計(jì)等。

Q：光波導(dǎo)主要存在兩種類型，陣列光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)，兩種光波導(dǎo)的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？相對(duì)其他方案，工藝和技術(shù)突破點(diǎn)在哪里？

焦亞超：波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)是透過(guò)率可以做的比較高，厚度薄，形態(tài)上更接近眼鏡，但是缺點(diǎn)也非常明顯。陣列波導(dǎo)對(duì)加工工藝要求非常高，幾乎不可能完成高品質(zhì)的量產(chǎn)。圖像會(huì)由于不同反射面之間的拼接導(dǎo)致割裂的條紋。光學(xué)級(jí)玻璃材質(zhì)的可靠性不高，無(wú)法通過(guò)跌落、震動(dòng)等檢驗(yàn)。

衍射光波導(dǎo)的彩虹紋現(xiàn)象是由光學(xué)設(shè)計(jì)原理決定的，目前沒(méi)辦法完全消除，因此彩色顯示效果有待進(jìn)一步提高。

鄭昱：在整個(gè)光波導(dǎo)技術(shù)方向上，我們可以把光學(xué)方案分成兩個(gè)方向，一個(gè)是和我們主要的海外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Lumus為代表的陣列光波導(dǎo)，它因其具有輕薄、透光率高、視場(chǎng)角大的優(yōu)勢(shì)很受行業(yè)青睞，陣列波導(dǎo)生產(chǎn)的工藝是成熟光學(xué)加工工藝，如鍍膜、拋光、膠合等。這些工藝在的鏡頭行業(yè)和光通信行業(yè)中已經(jīng)廣泛使用并且年出貨量都在百萬(wàn)量級(jí)以上，相應(yīng)的設(shè)備如鍍膜機(jī)、多軸拋光機(jī)、銑磨機(jī)等都相對(duì)成熟且絕大多數(shù)可以完全國(guó)產(chǎn)化。

但是，要制備性能優(yōu)良的陣列光波導(dǎo)鏡片對(duì)于拋光的精度、復(fù)雜膜系制備、光學(xué)貼合能力都有要求，必須要在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上有持續(xù)的突破性的創(chuàng)新，否則會(huì)有重影等顯示效果缺陷以及帶來(lái)的產(chǎn)品一致性較差的問(wèn)題，從而影響量產(chǎn)化生產(chǎn)，這對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)廠商來(lái)說(shuō)是難以逾越的障礙，因此國(guó)內(nèi)普通觀點(diǎn)認(rèn)為陣列光波導(dǎo)難以量產(chǎn)化，因此研發(fā)波導(dǎo)片更多的是提高良品率，提高產(chǎn)能，更進(jìn)一步降低成本，更有利于未來(lái)2C發(fā)展。

另一個(gè)方面就是以微軟和Magic Leap為代表的衍射光波導(dǎo)，它具有大視場(chǎng)角和大眼動(dòng)范圍的優(yōu)勢(shì)，但是衍射色散導(dǎo)致圖像出現(xiàn)“彩虹”現(xiàn)象和光暈，其微納加工工藝難度非常大，設(shè)計(jì)門檻高。

周明：陣列光波導(dǎo)和衍射波導(dǎo)具備相近的光學(xué)成像原理，其光學(xué)設(shè)計(jì)思想均是光束在2-3mm薄鏡片內(nèi)全反射傳播，遇到光學(xué)元件后反射進(jìn)入人眼。陣列光波導(dǎo)采用反射鏡陣列作為出瞳元件，而衍射波導(dǎo)采用光柵陣列出瞳，這兩種元件都是常見(jiàn)光學(xué)元器件。反射鏡陣列具備無(wú)色差，亮度高的特點(diǎn)，目前已經(jīng)得到一定規(guī)模的量產(chǎn)。衍射波導(dǎo)具備分辨率高，容易復(fù)制生產(chǎn)等特點(diǎn)，但是色差問(wèn)題限制其在彩色領(lǐng)域應(yīng)用。

Q：目前光波導(dǎo)技術(shù)想要量產(chǎn)存在的最大難點(diǎn)在哪里，如何提升良品率？

焦亞超：陣列波導(dǎo)對(duì)膠水和玻璃材料的折射率匹配度要求很高；對(duì)玻璃切割面的平行度及膠合后的平行度要求很高，超出現(xiàn)有的工藝水平。

衍射波導(dǎo)的量產(chǎn)沒(méi)有大問(wèn)題，比陣列波導(dǎo)相對(duì)更容易，可以用半導(dǎo)體集成電路工藝實(shí)現(xiàn)，但是需要投入大量的昂貴設(shè)備，門檻較高。據(jù)悉某家廠商為Wave Optics 的量產(chǎn)投入了上億美金，進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)和工藝研發(fā)，但目前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)突破。

鄭昱：目前光波導(dǎo)在量產(chǎn)方面存在的最大難點(diǎn)是無(wú)法保證良品率。要想提升良品率首先要找出決定良品率的關(guān)鍵因素，光源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有各種因素會(huì)混合在一起，如果出現(xiàn)了一個(gè)次品，很難發(fā)現(xiàn)是什么原因造成的。我認(rèn)為提升良率最重要的是需要在工藝上需要一些創(chuàng)新性工藝方法，2019年我們靈犀微光建設(shè)自己的光波導(dǎo)生產(chǎn)線，具有完整的從光波導(dǎo)片到光波導(dǎo)模組的制備能力，從源頭上解決陣列光波導(dǎo)的良率難題，數(shù)值上可以達(dá)到85%以上良率，未來(lái)隨著工藝精度提高，這個(gè)數(shù)值可以達(dá)到95%以上甚至更高。

周明：正如上面所分析，衍射波導(dǎo)和陣列波導(dǎo)中的核心元件光柵和微反射鏡都是常見(jiàn)的光學(xué)元件，研發(fā)不存在障礙。量產(chǎn)陣列波導(dǎo)相對(duì)難度較大，目前還沒(méi)有好的方案解決多個(gè)反射鏡拼接的工藝效率問(wèn)題。衍射波導(dǎo)如果不考慮色差，做單色鏡片量產(chǎn)相對(duì)容易。如果考慮彩色則需要至少2組波導(dǎo)片組合，并對(duì)圖像色彩合理分配，這對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)和工藝提出挑戰(zhàn)。

Q：在光學(xué)模組的研發(fā)和市場(chǎng)商業(yè)化應(yīng)用方面，你有什么樣的看法呢？

焦亞超：當(dāng)前，不同的光學(xué)模組都有自身的短板，目前沒(méi)有一款能做到各方面指標(biāo)都均衡。所以，要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行開(kāi)發(fā)。同時(shí)，其他光學(xué)模組產(chǎn)品也具有自身特性，滿足某些垂直領(lǐng)域商業(yè)化的需求，當(dāng)然，前提是能大批量穩(wěn)定量產(chǎn)的情況下。

鄭昱：光學(xué)模組的研發(fā)道路還是漫長(zhǎng)而曲折的，總體來(lái)說(shuō)應(yīng)用市場(chǎng)也比較匱乏，AR眼鏡目前主要應(yīng)用于工業(yè)、制造業(yè)等B端行業(yè)，2-3年后在消費(fèi)級(jí)C端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)爆發(fā)期。比如目前靈犀微光在B端應(yīng)用合作項(xiàng)目中已經(jīng)在使用的AR+紅外，可以為防疫檢測(cè)提供很大幫助，AR結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別，為聾啞人提供和正常人交流的輔助等等，未來(lái)AR光波導(dǎo)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地，通過(guò)產(chǎn)品化覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈下游更多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級(jí)AR等場(chǎng)景的無(wú)限發(fā)展。

周明：光學(xué)模組的研發(fā)和市場(chǎng)商業(yè)化應(yīng)用未來(lái)3-5年仍然應(yīng)該以功能型產(chǎn)品為主。例如解決某些行業(yè)應(yīng)用的痛點(diǎn)和部分顯示技術(shù)，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)不同的光學(xué)模組。例如對(duì)于影視和閱讀等的需求可以開(kāi)發(fā)棱鏡和BirdBath產(chǎn)品，針對(duì)便攜應(yīng)用需求可開(kāi)發(fā)波導(dǎo)模組。

Q：隨著光波導(dǎo)方案的不斷探索創(chuàng)新，你們認(rèn)為光學(xué)顯示的理想終極形態(tài)是怎么樣的？主流實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案需要多長(zhǎng)時(shí)間？這給AR眼鏡產(chǎn)品帶來(lái)了怎樣的想象空間？

焦亞超：我想，理想終極形態(tài)是“讓AR眼鏡看起來(lái)像普通眼鏡，具備更多的工業(yè)設(shè)計(jì)和時(shí)尚因素”。時(shí)間上，先說(shuō)個(gè)5年吧。至于AR眼鏡的想象空間就很大了，未來(lái)AR眼鏡將正式接棒PC和手機(jī)，成為最新一代的人機(jī)交互平臺(tái)。

鄭昱：我認(rèn)為未來(lái)AR眼鏡理想終極形態(tài)是外形方面如普通眼鏡，并且顯示要和我們?nèi)粘？吹降氖澜鐒e無(wú)二致。目前，蘋(píng)果正著手布局AR眼鏡，預(yù)計(jì)未來(lái)3年內(nèi)會(huì)發(fā)布更接近普通眼鏡的AR眼鏡，這勢(shì)必會(huì)是AR眼鏡C端的爆發(fā)點(diǎn)，我們期待Apple Glasses的早日問(wèn)世，同時(shí)也會(huì)緊跟這些廠商的技術(shù)方向，為他們提供技術(shù)支持，體現(xiàn)我們的技術(shù)實(shí)力。未來(lái)某一天AR眼鏡體積小、視場(chǎng)角大、清晰度高，不再是一件高端奢侈品，而是人人都可以買得起的普通商品。

周明：未來(lái)光學(xué)顯示技術(shù)應(yīng)該是集成便攜，彩色，大視場(chǎng)，3D，交互等多種功能的形態(tài)。理想終極顯示形態(tài)可能是AR眼鏡，也有可能是目前尚處于概念階段的便攜式全息投影技術(shù)，或者視網(wǎng)膜投影技術(shù)。人眼是獲得外界信息的主要手段，如果AR眼鏡能補(bǔ)充現(xiàn)有大多數(shù)的顯示技術(shù)，例如手機(jī)屏幕，電視屏幕，電子書(shū)屏幕等。并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出更多的功能和應(yīng)用，將會(huì)是顯示技術(shù)的一次技術(shù)更新，同時(shí)帶動(dòng)電子產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)新消費(fèi)。

Q：目前海內(nèi)外AR光學(xué)顯示供應(yīng)商中，你們認(rèn)為有哪些同行擁有目前為止最top的光學(xué)方案？國(guó)內(nèi)光學(xué)供應(yīng)商整體處于什么發(fā)展階段？未來(lái)該如何加快布局深耕全球市場(chǎng)？

焦亞超：最TOP的光學(xué)方案，波導(dǎo)方向應(yīng)該是HOLOLENS自研的光學(xué)方案；自由曲面棱鏡方案應(yīng)該是耐德佳即將推出的“自由曲面鉆石NEDFDB049038AHP”；BB方案應(yīng)該是耐德佳為聯(lián)想定制的BB方案。

從研發(fā)角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)光學(xué)供應(yīng)商處于全球一流水平，并處在快速上升期。從穩(wěn)定量產(chǎn)的角度來(lái)看，處于兩級(jí)分化的局面。因?yàn)榇髲S的入局，其對(duì)供應(yīng)鏈的管控極其嚴(yán)格，想進(jìn)入很難，目前除了水晶、舜宇等傳統(tǒng)大廠以外，僅有為數(shù)不多的AR光學(xué)供應(yīng)商能進(jìn)入。耐德佳目前已經(jīng)成為聯(lián)想、富士康、BOE等大廠的正式量產(chǎn)供應(yīng)商，并間接進(jìn)入?？低暤墓?yīng)鏈體系，從去年底開(kāi)始，為品牌大廠進(jìn)行穩(wěn)定批量供貨。

在未來(lái)，AR光學(xué)的研發(fā)要打破現(xiàn)有的傳統(tǒng)思路，自由曲面、波導(dǎo)等光學(xué)技術(shù)要緊密結(jié)合，發(fā)揮各自技術(shù)的優(yōu)勢(shì)融合成為一款性能均衡且量產(chǎn)性強(qiáng)的AR光學(xué)產(chǎn)品。

鄭昱：像國(guó)外Lumus、Wave Optics，國(guó)內(nèi)百度、華為、聯(lián)想等等他們?cè)诠鈱W(xué)顯示方面均有比較不錯(cuò)的成績(jī)。眼觀當(dāng)下，國(guó)內(nèi)光學(xué)顯示技術(shù)還是不夠成熟，整體國(guó)內(nèi)光學(xué)供應(yīng)商還處于比較基礎(chǔ)的探索階段。我們靈犀微光自成立初便主攻核心器件光學(xué)引擎，致力于為企業(yè)用戶提供消費(fèi)級(jí)AR核心顯示技術(shù)和光學(xué)解決方案，未來(lái)我們也一定會(huì)緊跟國(guó)外大廠的技術(shù)方向，加快自身的創(chuàng)新能力，在AR全球市場(chǎng)上立足。

周明：目前在AR光學(xué)顯示技術(shù)方面，光波導(dǎo)是研發(fā)主流，棱鏡和BirdBath產(chǎn)品是應(yīng)用主流。目前MAD Gaze公司推出的棱鏡和BirdBath產(chǎn)品已經(jīng)是國(guó)內(nèi)外的同類一流產(chǎn)品。在陣列波導(dǎo)領(lǐng)域，目前國(guó)際上LUMUS公司具有量產(chǎn)能力。衍射波導(dǎo)WAVE OPTICS，SONY，蘋(píng)果等公司已經(jīng)開(kāi)展了多年布局。國(guó)內(nèi)光學(xué)供應(yīng)商整體處于初步發(fā)展階段。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景，解決某些行業(yè)現(xiàn)有顯示技術(shù)的痛點(diǎn)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品，逐步推廣應(yīng)用。

后記：

光波導(dǎo)模組作為目前新型高端光學(xué)器件，其研發(fā)量產(chǎn)與良品率提升需要多年的技術(shù)積累以及漫長(zhǎng)的工藝研發(fā)周期。每一次技術(shù)的難點(diǎn)突破或投融事件，都會(huì)引發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈上下游集體注目?！父p、更薄、更接近普通眼鏡」的AR眼鏡形態(tài)是業(yè)內(nèi)對(duì)AR ToC未來(lái)爆發(fā)的基礎(chǔ)共識(shí)，而光波導(dǎo)則是推進(jìn)AR市場(chǎng)化過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)。而今年，MAD Gaze即將推出第五代自研光波導(dǎo)AR智能眼鏡，在AR ToC賽道更進(jìn)一步，敬請(qǐng)期待。

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