助力AR眼镜轻量化,国内攻破二维扩瞳几何光波导量产

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光学作为AR智能眼镜最核心的技术之一,决定着产品体积重量、外观设计、佩戴体验、产品定位和应用场景等,重要性不言而喻。如今大家都在关注AR眼镜的轻量化,不难发现光波导是一个愈发关键的技术路径,其凭借“清晰、轻薄、透亮、大FOV”等优势,已经成为越来越多AR整机厂商的首选光学方案。

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AR智能眼镜,来源:网络

近几年AR眼镜在To B领域的应用日益成熟,消费级AR的应用也随之而起。以To B产品为例,和多年前清一色的棱镜方案不同,如今的AR眼镜更倾向采用光波导方案,无论是一体式设备如HoloLens 2,还是分体式设备如Rokid Glass 2等,都在朝着这一趋势发展。

可能在不少人眼里认为,光波导技术“量产难”、“价格贵”,仅掌握在少数国外企业手里。而事实情况却大有改观,让业内为之兴奋的是国内AR光学技术不断成熟,在量产方面取得突破,对国内AR眼镜的发展起到重要推动作用。据介绍,国内几何光波导的代表——理湃光晶,现已建成并投产10万套一期生产基地,并即将推出应用于消费级AR智能眼镜的二维扩瞳几何光波导产品,助力消费级AR可穿戴设备的飞速发展。

几何、衍射光波导优劣势

光波导可按光束的传播方式分为两大类:几何光波导和衍射光波导,两者的共同点都是基于光在波导片的全反射来传播,区别主要体现在耦入、耦出方式上:

  • 几何光波导耦入和耦出是通过光的反射原理,基于内嵌的半反半透镜阵列实现,属于几何光学范畴;
  • 衍射光波导耦入和耦出是通过光栅衍射原理来实现光线的传播,属于光的衍射范畴,其中光栅为纳米级周期性结构。同时光栅还可细分为:表面浮雕光栅和体全息光栅两类。

由此可见,几何光波导和衍射光波导虽然都被称为“光波导”,却代表着两种不同的技术路径。

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三种光波导方案原理,来源:网络

在生产制造环节,几何光波导采用的是传统光学冷加工工艺,优势是:光学镀膜、光学切割、纳米研磨、纳米抛光、精雕加工等工艺已经十分成熟,同时光学成像质量高,无偏色情况。难点在于:耦出环节的反射镜阵列贴合、组装,需要保证每一步加工精度足够高,否则容易产生明暗条纹,黑色条纹等。尤其是贴合若使用传统胶水贴合工艺会导致产品良率很低,而理湃光晶为代表的业界领先的分子键合工艺替代了传统胶水贴合工艺,并且集成组装水平日趋完善,已经具备大规模量产的水平。

理湃光晶

几何光波导产品,来源:理湃光晶

衍射光波导的光栅是微纳米结构,其中表面浮雕光栅采用半导体蚀刻、纳米压印等技术;体全息光栅采用基于特定材料的激光束干涉曝光。因为后者在材料上存在诸多限制,导致目前业内更多使用表面浮雕技术路线。其优点是可通过灵活的纳米结构,实现光路设计,其结构特征比较容易实现二维扩瞳。而难点在于,光栅结构设计复杂,更考验对光学设计能力,不同颜色光波长不同,通过光栅后衍射导致彩虹效应、色散和漏光问题亟待解决,同时光栅结构导致其能效较低。

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几何光波导与衍射光波导透光率对比,来源:kguttag

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几何光波导与衍射光波导漏像对比,来源:kguttag

光学效率作为衡量应用产品的重要指标,对AR眼镜的光机选择,整机续航、散热控制等极为关键。据悉,理湃光晶的几何光波导产品综合光效可高达15%,作为对比衍射光波导的光效仅为1%左右。

国内的几何光波导的代表是理湃光晶。衍射光波导以国外的HoloLens、Wave Optics为代表,国内也有很多厂商跟进,能大规模交付应用到实际产品的还很少。

综合而言,与棱镜、自由曲面、BirdBath相比,几何光波导技术以“轻薄、清晰、高透亮”和量产交付等优势更突出,因此近年来关注度更高。虽然,各种光波导方案各具特点,但是各自的量产性、产出比和交付能力各有差别。

国内布局最早,出货量最大

正如上文提到,国内光波导产品量产能力的不断提升,最直接的体现就是越来越多的AR产品均采用光波导方案,打造清晰度更高、FOV更大、重量更轻、体积更小、使用体验更舒适的AR眼镜。其中不乏一些AR明星创业公司的旗舰产品,例如Rokid Glass 2、INMO Air、亮亮视野Leion Pro等都采用了几何光波导模组。

理湃光晶

采用几何光波导技术方案的AR智能眼镜,来源:网络

据悉,理湃光晶的量产几何光波导产品,FOV覆盖25度-40度,耦出方式包括侧入式和上入式,可满足不同应用场景的AR眼镜产品形态需求。例如,侧入式更注重眼镜的轻量化,更利于打造轻量化AR眼镜;而上入式更注重观察视野,更适合一体机等垂直行业产品应用。理湃光晶的几何光波导产品可以搭载Micro-LED、Micro-OLED和LCoS等显示方案。

截至目前,理湃光晶已实现出货量达数万套,已成为国内多家头部AR整机品牌的独家光学供应商。据多位业内人士表示:理湃光晶已是国内出货最大的几何光波导方案商。

据了解,理湃光晶是国内最早研究几何光波导技术的团队,早在2008年就在高校开展几何光学研究,2012年成立公司,2013年研发出首款几何光波导镜片,2015年获得几何光波导核⼼专利授权(已累计授权数十项核心专利),2016年实现几何光波导显示模组批量交付,2019年建成试产线,后获得国内几何光波导领域的首个K级订单,2022年建成并投产年产10万套的一期生产基地。

生产基地建成,二维扩瞳将量产

能够连续获得订单的关键在于,理湃光晶通过对几何光波导技术量产的难点攻克,并创新开发了配套的分子键合工艺,大幅提高了波导的量产性和产品良率,目前产品良率已突破85%,实现了大规模量产和交付保障。同时,由于几何光波导采用传统光学冷加工工艺,国内已经具备成熟和完善的材料、工艺、设备等相关产业链,相对衍射光波导的设备投入较低、供应链配套更完善、产业链风险可控。

理湃光晶

理湃光晶生产基地,来源:理湃光晶

今年年初,坐落于江苏省昆⼭市的理湃光晶几何光波导模组生产基地正式建成,现已投产运营,该基地隶属昆⼭国家⾼新技术产业开发区引进的重点项目。厂房主体共三层,建筑面积3000多平米,用于超微光学加工、超微光学合成、微显示集成装配等加工生产,一期规划年产规模达10万套。

不仅如此,理湃光晶已经攻克几何光波导的二维扩瞳技术,并将于9月份量产上市。二维扩瞳的参数更优异,具备50°FOV,20mm 的Eye-relife ,Eyebox可达15×10mm,入眼亮度超1000nit,为画质更佳、体积更小、重量更轻的消费级AR智能眼镜提供更优解决方案。

理湃光晶

最新二维扩瞳几何光波导产品,来源:理湃光晶

随着年产10万套的一期生产基地建成投产,以及在几何光波导二维扩瞳技术上的突破,理湃光晶的几何光波导产品的量产和交付能力得到大幅提升。AR智能和元宇宙时代已经到来,突破二维扩瞳技术的几何光波导将会成为极致轻亮的AR智能可穿戴设备的最佳选择,必将带领我们进入新纪元。

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