文/VR陀螺 豌豆
2019年開始,AR的風(fēng)口遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過VR,成為了資本、市場、產(chǎn)業(yè)共同追捧的“香餑餑”,從去年發(fā)布的新品便可見一斑。
節(jié)選自《2021年全球XR行業(yè)年度發(fā)展報告》(圖源:陀螺研究院)
在光學(xué)方案、產(chǎn)品形態(tài)、應(yīng)用場景百花齊放的當(dāng)下,越來越多的企業(yè)將目標(biāo)投向了底層核心技術(shù),特別是底層光學(xué),門檻極高,但潛力無限,讓不少人使出當(dāng)初學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理的干勁,逼著自己去理解背后的技術(shù)邏輯。
而光學(xué)領(lǐng)域的明星企業(yè)——至格科技,清華系出身,獲小米、OPPO投資,產(chǎn)品被應(yīng)用于OPPO Air Glass上。本次VR陀螺有幸對話至格科技創(chuàng)始人孟祥峰博士,為我們解答衍射光波導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)以及量產(chǎn)和行業(yè)發(fā)展的相關(guān)問題。
巨頭布局,衍射光波導(dǎo)技術(shù)現(xiàn)狀
回顧2021年光博會,陀螺君觀察到所有AR相關(guān)展臺幾乎都有展示了當(dāng)時最新的衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品,包括至格科技、鯤游光電、水晶光電、舜宇光學(xué)、瓏璟光電等。衍射光波導(dǎo)光學(xué)方案成為時下熱度最高的光學(xué)方案。
不少科技巨頭也開始入局AR,Snap、蘋果、Meta都在不斷加大投入,相比于穩(wěn)定發(fā)展的B端AR市場,處在萌芽期的類眼鏡C端AR產(chǎn)品在元宇宙的加持下更為搶眼,如小米發(fā)布的單目光波導(dǎo)AR探索版、影目科技發(fā)布的消費(fèi)級INMO Air、雷鳥創(chuàng)新推出的雷鳥智能眼鏡先鋒版、OPPO推出的OPPO Air Glass等AR設(shè)備,在國內(nèi)均獲得了非常高的關(guān)注。
圖源:Snap
AR眼鏡核心光學(xué)方案歷經(jīng)多年發(fā)展,現(xiàn)在市場一致認(rèn)為光波導(dǎo)成為接下來的發(fā)展核心。而光波導(dǎo)又分為陣列光波導(dǎo)(又稱幾何光波導(dǎo))、表面浮雕光柵衍射光波導(dǎo)以及體全息光波導(dǎo)。
在陣列之后,衍射光波導(dǎo)似乎已成為主流AR光學(xué)方案之一,孟博表示,至格科技現(xiàn)在是國內(nèi)少有的能進(jìn)行衍射光波導(dǎo)量產(chǎn)的企業(yè),目前已經(jīng)形成一套完整的生產(chǎn)體系,包括如何管理相應(yīng)工藝的生產(chǎn)、保證每道工藝的質(zhì)量、保證穩(wěn)定可重復(fù)的量產(chǎn)交付。雖然沒有具體的數(shù)據(jù)與海外企業(yè)詳細(xì)比較,但海外對衍射光波導(dǎo)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和工藝積累確實(shí)是比國內(nèi)要完善的。
他認(rèn)為:“在國內(nèi),大多數(shù)衍射光波導(dǎo)廠家的產(chǎn)品因?yàn)樵O(shè)計(jì)或工藝難度,仍處在打樣階段,尚沒有建立生產(chǎn)體系,很難投入大批量生產(chǎn)。”
“放眼全球來看,衍射光波導(dǎo)真正大規(guī)模的應(yīng)用,現(xiàn)在走在前面的是微軟的HoloLens和Magic Leap,目前已有大批量產(chǎn)品交付,這些大廠的優(yōu)勢就在于它們無論是自行生產(chǎn)還是代工生產(chǎn),整體工藝和生產(chǎn)水平等方面都更加完善,以HoloLens 2為例,在B端已穩(wěn)定供貨許久,能夠保證穩(wěn)定、一致、高品質(zhì)地量產(chǎn)交付,而且他們的良率在不斷提升中。”
衍射光波導(dǎo),是利用光柵的衍射特性來設(shè)計(jì)“光路”,讓光在設(shè)計(jì)好的路徑上傳播,將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導(dǎo)入人眼。由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)的特征尺寸從傳統(tǒng)幾何光學(xué)的毫米級別提高到了現(xiàn)代衍射光學(xué)的納米級別,因此對企業(yè)的微納光學(xué)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力提出了更高的要求。
光柵掃描電鏡照片(圖源:至格科技)
可以從圖中看出衍射光柵是一個具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件,每一個周期可以是材料表面“雕刻”出來的高峰和低谷。而光柵設(shè)計(jì)就是通過合理優(yōu)化光柵的各項(xiàng)參數(shù)(例如周期、占空比、槽深、側(cè)壁傾角等),使光柵能夠?qū)崿F(xiàn)所需的光學(xué)性能。
孟博向陀螺君介紹了衍射光波導(dǎo)的主要生產(chǎn)流程,要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),唯有優(yōu)化其中的工藝方可降低生產(chǎn)成本:
衍射光波導(dǎo)研制流程主要分為三大環(huán)節(jié):光柵設(shè)計(jì)——光柵母版加工——納米壓印生產(chǎn)。從衍射光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)來看,衍射光波導(dǎo)并非由單一的光柵組成,而是多個光柵區(qū)域以及波導(dǎo)層共同組合成的衍射光學(xué)系統(tǒng)。
據(jù)了解,光柵設(shè)計(jì)通常是從一個經(jīng)驗(yàn)性的初始結(jié)構(gòu)開始的(這一步驟比較依賴經(jīng)驗(yàn)),然后設(shè)置好目標(biāo)函數(shù)(即如何評價想要的光學(xué)性能),最后根據(jù)各種最優(yōu)化算法將初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化到所需要的目標(biāo)上去。
而光柵母版加工則是非常核心的一套工藝,對精度(納米級別)及復(fù)雜度要求最高,流程主要分為勻膠、光刻、刻蝕、清洗四個步驟。據(jù)孟博介紹:“光柵母版加工要與光柵設(shè)計(jì)緊密結(jié)合,彼此互相逼近,反復(fù)迭代,迭代中這四個工藝步驟又需要重復(fù)進(jìn)行,導(dǎo)致其中的成本很高。”
至格科技目前已掌握基于全息光刻和離子束刻蝕的完整的光柵母版加工工藝,并已建成功能完備的光柵母版加工中心,可以實(shí)現(xiàn)各種光柵母版的快速加工和迭代。
晶圓玻璃壓印流程(圖源:至格科技)
關(guān)于納米壓印生產(chǎn),衍射光波導(dǎo)采用半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝,主要流程經(jīng)歷:晶圓清洗——旋涂勻膠——納米壓印——光學(xué)鍍膜——晶圓切割——鏡片貼合——鏡片封邊,對工藝、材料、設(shè)備的要求很高,需要完整再現(xiàn)光柵母版的形貌才能保證產(chǎn)品的光學(xué)性能,并且還要保證每道工藝的品質(zhì)。
雖然每一個環(huán)節(jié)都面臨著各種各樣的難點(diǎn),但隨著工藝改良和產(chǎn)品迭代,衍射光波導(dǎo)企業(yè)逐步形成標(biāo)準(zhǔn)化可控的工藝,色散問題逐步改善,量產(chǎn)能力提升,批量裝機(jī)和大規(guī)模出貨在即。
影響衍射光波導(dǎo)量產(chǎn)與良率的核心關(guān)鍵點(diǎn)
衍射光波導(dǎo)方案以其輕便、高透光率、Eyebox范圍大等優(yōu)勢逐漸成為消費(fèi)級AR產(chǎn)品的必備方案。為方便參考理解,VR陀螺整理了一份AR光學(xué)方案圖表:
圖源:VR陀螺
衍射光波導(dǎo)有兩大作用,一是發(fā)揮光波導(dǎo)的特性,改變光的傳播方向,引導(dǎo)光在元件中傳播,最終導(dǎo)入人眼;二是實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳,在確保體積小、視場角大的前提下,將Eyebox范圍擴(kuò)大,以適配不同的瞳距,同時獲得極強(qiáng)的沉浸感和良好的視覺體驗(yàn)。
改變光的傳播方向容易理解,但為何衍射光波導(dǎo)需要擴(kuò)瞳?
孟博向陀螺君解釋:“可以這樣理解,從投影光機(jī)進(jìn)入波導(dǎo)的光線是被限制在一個非常小的方框范圍內(nèi)的,所有的光和能量都是通過這個小方框向前傳播的,這個小方框的大小就是波導(dǎo)入瞳的大小。如果不擴(kuò)瞳,那么波導(dǎo)的出瞳大小就等于入瞳大小,而出瞳對應(yīng)著人眼能看到完整圖像的可移動范圍,也就是Eyebox范圍,所以在不擴(kuò)瞳的情況下,人眼只能被限制在一個很小的方框范圍內(nèi)來觀看,就好像要透過門鏡看世界,極大地影響沉浸感和視覺體驗(yàn)。擴(kuò)瞳就是將出瞳擴(kuò)大,相應(yīng)的Eyebox范圍也會成比例擴(kuò)大,就好像推開門來看世界,沉浸感更強(qiáng),視覺體驗(yàn)更佳。而且每個人的生理特征不同,擴(kuò)瞳后Eyebox更大的鏡片還可以去適配不同人的瞳距。正因?yàn)橐陨蟽蓚€原因,擴(kuò)瞳非常重要。”
擴(kuò)瞳與不擴(kuò)瞳對比示意圖(圖源:至格科技)
“二維擴(kuò)瞳則是在一維擴(kuò)瞳的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的擴(kuò)瞳,相當(dāng)于把上面講的出瞳方框的長和寬都擴(kuò)大了,那么人眼在橫向和縱向上的可移動范圍都很大,沉浸感和視覺體驗(yàn)會進(jìn)一步提升。”
談及Eyebox范圍,孟博指出:目前人們對衍射光波導(dǎo)的理解存在一些誤區(qū),衍射光波導(dǎo)能量利用率不高的主要原因就是擴(kuò)瞳,擴(kuò)瞳使Eyebox的面積大幅增大,單位面積上的能量自然就低下來了。但是擴(kuò)瞳是衍射光波導(dǎo)的一大優(yōu)勢,上面分析了它有很多好處,因此我們必須擴(kuò)瞳,但同時追求高能量利用率和大Eyebox幾乎是不可能的。
光的色散(圖源:網(wǎng)絡(luò))
在光波導(dǎo)方案的顯示效果方面,陣列波導(dǎo)有更自然的彩色顯示效果,但是二維擴(kuò)瞳相對衍射光波導(dǎo)更難,在出瞳邊緣易出現(xiàn)圖像畸變;而衍射光波導(dǎo)目前仍然面臨色散(顏色不均)的問題,目前的衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品中多多少少都存在色散,只是現(xiàn)在效果已經(jīng)比之前好很多。
據(jù)孟博介紹,“色散就是彩色均勻性問題,無論是陣列還是衍射都會有色散問題,陣列采用鍍膜原理,嚴(yán)格來說應(yīng)該叫色差,在幾何光學(xué)里面色差可以做得非常小,可以忽略不計(jì),所以顏色看起來比較真實(shí)。但是衍射的色散是一個比較大的挑戰(zhàn),其結(jié)構(gòu)的特征尺寸與光波長相當(dāng),光在衍射光波導(dǎo)表面發(fā)生衍射,而不是普通的透射或反射,所以它對波長非常敏感,不同波長的光在光波導(dǎo)內(nèi)的傳輸路徑都不一樣,要保證不同波長的光以同樣比例的能量出射才能恢復(fù)成彩色,這是非常難的,但并不是不能突破。”
目前至格科技已推出的兩款可量產(chǎn)的AR衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品TDDW40Plus、SIDW33。據(jù)介紹,至格科技衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品的良率超過80%(具體數(shù)值根據(jù)定制產(chǎn)品有所不同),遂成功應(yīng)用于消費(fèi)級AR眼鏡OPPO Air Glass(可參考文章:《【實(shí)測體驗(yàn)】OPPO Air Glass明年上市,AR向消費(fèi)級電子產(chǎn)品再邁一步》)。孟博表示,OPPO這款產(chǎn)品的波導(dǎo)能量利用率將近是普通衍射光波導(dǎo)的兩倍,進(jìn)而確保其能長時間續(xù)航。
圖源:至格科技
專利不是限制
共建共生才能形成良好生態(tài)
成立于2019年7月的至格科技,由清華大學(xué)精密儀器系光柵與測量實(shí)驗(yàn)室孵化而成,依托清華大學(xué)20余年的光柵領(lǐng)域科研成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,致力于AR衍射光波導(dǎo)及衍射光柵的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。擁有10年以上經(jīng)驗(yàn)的光柵設(shè)計(jì)、光柵母版加工、納米壓印生產(chǎn)的技術(shù)團(tuán)隊(duì),成員包括設(shè)計(jì)算法開發(fā)、衍射光學(xué)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、材料開發(fā)、生產(chǎn)制造等多方面的核心技術(shù)人才,有著豐富的技術(shù)積累和相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)。
消費(fèi)級AR眼鏡OPPO Air Glass(圖源:OPPO)
孟博表示,在未來,至格科技將結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢繼續(xù)為客戶提供從設(shè)計(jì)、制版到材料和工藝的一站式解決方案,以及快速、穩(wěn)定、可靠、低成本的衍射光波導(dǎo)量產(chǎn)交付方案。
而對于專利“卡脖子”問題,孟博表示隨著技術(shù)發(fā)展,各家專利數(shù)量不斷增加,形成各有特點(diǎn)、各有側(cè)重的專利體系,這些專利體系不會是彼此完全獨(dú)立的,而會是“你中有我,我中有你”的關(guān)系。各家之間很難通過專利完全限制對方發(fā)展,更有可能是通過專利交叉許可的方式共同發(fā)展。
“不管是從專利還是整個產(chǎn)業(yè)鏈上來看,衍射光波導(dǎo)越來越像一個逐漸成熟的行業(yè),因?yàn)閰⑴c的‘玩家’越來越多,在技術(shù)上不斷演進(jìn)和完善,大家共建共生,把這個行業(yè)做起來。”
“產(chǎn)業(yè)鏈的活躍程度決定了行業(yè)的發(fā)展速度。在衍射光波導(dǎo)行業(yè),上游有做材料和設(shè)備的廠商,中游有單獨(dú)做設(shè)計(jì)、母版和生產(chǎn)的廠商以及像至格這樣整體做IDM模式的廠商,下游有積極布局、你追我趕的AR整機(jī)廠商,整個產(chǎn)業(yè)鏈非?;钴S,新入局的廠商層出不窮,整個行業(yè)的發(fā)展在不斷加速。”
孟博認(rèn)為,“要讓技術(shù)落地不應(yīng)該閉門造車,只有客戶(AR整機(jī)廠商)來應(yīng)用,才能不斷去發(fā)現(xiàn)這里邊的問題。因?yàn)榭蛻舻男枨笫墙⒃谑袌稣{(diào)研基礎(chǔ)上的,非常接近于消費(fèi)者的需求。只有針對客戶需求不斷地完善產(chǎn)品,才能在AR行業(yè)爆發(fā)之時處于有利地位。”
整個AR行業(yè)都在健康發(fā)展,國內(nèi)企業(yè)也已經(jīng)做了很多探索和嘗試,在未來將與國際其他企業(yè)相互促進(jìn),也希望能給產(chǎn)業(yè)一點(diǎn)時間。
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