从离轴透镜到光波导

从离轴透镜到光波导 Optical Waveguide 前言 AR光学经历了棱镜方案、离轴透镜方案、自由曲面方案、Birdbath方案和光波导方案五个阶段，目前Birdbath方案以低成本和优秀的成像质量，成为当前投屏观影类场景下多数AR设备选择的光学方案；但随着AR在消费级市场逐步渗透和起量，C端消费市场对AR设备的轻薄、便携、佩戴体验等提出了更高的要求，光波导方案以其轻薄、极高的透光率以及日渐成熟的量产工艺，逐渐成为消费级AR市场的发展和进化方向，特别是以雷鸟、INMO、Xreal、魅族等）商已经推出或即将推出基于光波导的AR设备，我们判断光波导方案未来35年将成为多数消费级AR升级的首选方案。 光波导光学方案关键在于利用光波导实现光路的延长，利用半透半反镜面阵列、光栅等光学元件实现光的折叠和传播，在传递屏幕光的同时，不影响环境光的入眼，最终实现近眼屏幕显示以及现实环境透视的AR显示需求。 光波导方案基于当前技术可细分为多个领域，基于几何光学的阵列光波导、基于衍射光学的衍射光波导以及基于偏振折返式光学的混合波导，各光学方案有各自独特的优势。产亚界基于当前技术进一步进化，通过探索二维扩瞳、波导拓展、光栅构造、镜片材料、偏振复用等技术，推动光波导方案进一步发展。这些更先进的光学方案有助于压缩模组的厚度和重量，提高光学参数，在实现普通眼镜形态的同时，提供优秀的显示交互体验。 此外，基于微纳工艺的全息元件或超表面，同样具有卓越的光学性能，在探索差异化的AR光学道路上，有望成为产业和资本的追踪赛道，为元宇宙硬件多元化，增添新的解决方案。 本报告共计91页，对AR光学方案进行了系统、全面的分析，详细描述了光学评价参数AR产业链以及不同AR光学方案之间的差异。通过追溯AR光学发展历程，针对各时段主流AR光学方案以及光学方案厂商，从结构、原理出发，基于原创性的结构图和原理图，对不同AR光学方案进行梳理，看重分析了不同光学方案的优劣点、技术瓶颈、量产难度、发展趋势等，最终基于各项资料统计整理。 目 、AR 光学概述-10 一）AR光学原理-101、AR光学概念-10（1）近眼聚焦-10（2）视场放大11（3）环境透视11（4）虚实叠加-142、AR与VR/MR的区别-14（二）AR光学评价参数-151、视场角（FOV)-152、亮度173、透光率-174、光学效率-185、眼动范围Evebox--186、出瞳距离Eyerelief--197、厚度20 目 （三）AR光学方案类型20(四）AR光学发展历程21(五）产业链结构22 （一）原理23（二）核心厂商及产品24 三、AR 离轴透镜方案25 （一）原理25二）核心厂商及产品25 四、AR 自由曲面方案26 （二）核心厂商及产品27 (一）原理27 （三）核心厂商及产品31 目录 六、AR 光波导方案31 （一）原理概述32（二）光波导分类33（三）几何光波导341、技术原理352、一维扩瞳和二维扩瞳363、生产工艺流程384、核心厂商及产品40（四）衍射光波导421、全彩化技术422、波导结构44(1)）一维光栅一维扩展44(2）一维光栅二维扩展.45（3）二维光栅二维扩展46(4）不同扩瞳方案对比46 3、光栅介绍47 目 (1）表面浮雕光栅波导48(2）体全息光栅波导59(3）偏振体全息光栅波导674、镜片材料73(五）混合光波导761、技术原理772、双混合波导793、核心厂商及产品-82(六）光波导方案综合对比831、主流光波导方案对比832、主流光波导工艺对比853、光波导方案对比86 八、AR 光学方案总结89 Miellsenn XR 图表1：近眼成像原理示意图图表2：视场放大原理示意图图表3：See-Through实现方式示意图图表4：VST与OST对比图图表5：AR、VR、MR原理区别示意图图表6：视场角FOV示意图图表7：人眼视场角示意图图表8：常见视场角对比示意图图表9：FOV与支持功能场景图表10：不同场景屏幕亮度需求图表11：不同光学方案透过率图表12：不同光学方案光学效率图表13：Eyebox与Eyerelief示意图图表14：不同光学方案模组厚度图表15：光学方案对比图图表16：AR光学方案演化图图表17：AR光学发展历史图表18：AR产业地图图表19：棱镜方案原理图图表20：棱镜显示方案技术发展历程图表21：棱镜方案核心厂商及产品图表22：离轴透镜方案原理图图表23：自由曲面方案原理图图表24：自由曲面方案核心厂商及产品图表25：Birdbath方案光路示意图图表26：Birdbath方案特点图表27：Birdbath方案工艺流程图图表28：单光源双目显示系统示意图图表29：Birdbath方案核心厂商及产品图表30：光波导原理示意图图表31：光波导方案分类图表32：光波导方案性能指标对比表图表33：混合光波导和孔阵光波导 Miellsenn XR 图表34：几何光波导方案示意图图表35：一维扩瞳示意图图表36：二维扩瞳示意图图表37：阵列光波导特性及优劣性图表38：阵列光波导工艺流程图图表39：胶合工艺流程图图表40：键合工艺流程图图表41：胶合及键合工艺对比图表42：阵列光波导发展历程图表43：阵列光波导方案核心厂商及产品图表44：彩虹效应示意图图表45：全彩化显示方案示意图图表46：一维光栅一维拓展示意图图表47：一维光栅二维拓展示意图图表48：二维光栅二维拓展示意图图表49：不同扩瞳方案对比图表50：光栅属性示意图图表51：表面浮雕光栅波导示意图图表52：衍射光栅光路示意图图表53：矩形光栅及矩形光栅衍射效率示意图图表54：倾斜光栅及倾斜光栅衍射效率示意图图表55：闪耀光栅及闪耀光栅衍射效率示意图图表56：圆柱型光栅光路示意图图表57：不同光栅对比图表58：纳米压印示意图图表59：刻蚀技术示意图图表60：纳米压印与刻蚀工艺对比图表61：体全息光栅波导发展历程图表62：体全息光栅示意图图表63：体全息光栅衍射特性图表64：体全息光栅环境光透过性能图表65：体全息光栅记录介质原理示意图图表66：体全息光栅波导材料分类 Miellsenn XR 图表67：体全息光栅波导材料对比图表68：H-PDLC材料工作原理示意图图表69：H-PDLC材料制备步骤图表70：体全息光栅制备工艺流程图表71：体全息光栅制备示意图图表72：体全息光栅波导厂商布局图表73：体全息光栅波导核心厂商及产品图表74：偏振体全息光栅波导介质结构示意图图表75：偏振体全息光栅偏振响应特性图表76：偏振体全息光栅偏振特性图表：偏振体全息光栅波导人耦合器示意图图表78：偏振体全息光栅单光源双目显示图表79：偏振体全息波导复合光栅扩大视场角图表80：偏振体全息光栅制备示意图图表81：基材折射率影响FOV图表82：亮度不均匀原理示意图图表83：色彩不均匀原理示意图图表84：镜片材料对比图图表85：混合光波导方案示意图图表86：光学方案对比图表图表87：混合光波导光路原理图图表88：双混合波导系统示意图图表89：基于偏振的杂光消除系统图表90：蚁视产品对比表图表91：AR产品对比图图表92：光波导方案技术路径对比图图表93：衍射光波导方案量产指标对比图图表94：几何光波导与衍射光波导工艺对比图表95：光波导方案优缺点对比图表96：全息光学元件图表97：超表面光学图表98：AR光学方案对比 一、AR光学概述 （一）AR光学原理 1、AR光学概念 AR（增强现实）基于计算机实时计算、多传感器融合和光电显示等技术，将创建生成的虚拟信息与现实环境叠加融合，通过对现实环境追踪、覆盖、标注，实现虚实融合，增强人类感知和感官体验。AR具有数字世界与现实世界结合、实时交互以及虚拟对象和真实对象的准确3D标识三个特点。 AR光学，指利用光的折射或衍射原理，在不影响环境光的前提下，改变屏幕光的传播方向，实现将虚拟信息数据（包括文字、图像、视频和3D模型等）叠加在现实环境数据上。AR光学主要解决增强现实显示交互的四个问题：近眼聚焦、视场放大、环境透视以及虚实叠加。 （1）近眼聚焦 人眼正常视力焦距为25cm左右，当一个物体距离人眼小于25cm时，晶状体的屈光不够，导致成像无法落在视网膜上，形成清晰图像。这个距离为明视距离。如图所示，距离小于明视距离的物体A，无法在人眼视网膜上聚焦成像，因此显得模糊不清。通过在人眼与物体之间插入透镜B，利用透镜折射原理，改变了光的入射角度，形成屈光度调节作用，使得物体A的成像落在了视网膜上，形成清晰的图像。 AR光学通过在人眼和屏幕之间插入光学透镜，利用光学透镜的折射原理，让明视距离内的屏幕图像满足人眼聚焦的条件，实现屏幕图像的清晰显示。 2）视场放大 视场主要指光学系统能提供的视野范围。在AR光学中，视场放大指如何在现实环境区域内看到更大的虚拟图像。通过光学透镜的折射原理，在实现近眼显示的同时，增大光线的传播角度，可实现显示屏幕的光学放大。视场放大主要以视场角的大小来衡量，视场角越大，人眼视野范围内虚拟图像显示的区域越大，则视场放大的范围越大。 图片来源：wellsennXR （3）环境透视 AR作为虚实结合设备，现实环境信息是必不可少的一环。目前在XR产业中，允许用户直接看到设备外现实环境信息的透视技术有两种路径，分别为基于光学的OST技术和基于视频的VST技术。 光学透视，Optical See-Through，简称OST。其核心原理是光学系统允许现实环境光线通过，用户可直接透过光学系统观察到外界环境。在基于OST的AR光学系统中，光耦合器透射现实环境信息，反射由显示屏幕或光机生成的图像信息，在现实环境信息与虚拟信息同时传导到人眼的情况下，实现现实信息与虚拟信息的结合，达到虚拟显示增强现实环境的感官体验。 视频透视，Video See-Through，简称VST。其核心原理是利用计算机技术重建现实环境信息，以实现在不透明的设备中观察到外界环境的功能。在基于VST的MR光学系统中光耦合器主要用于透射由计算机生成的虚拟信息。其中虚拟信息由两部分组成，一是基于摄像头实时捕捉的现实环境信息，用于重建现实环境。二是由计算机生成的虚拟信息，用于叠加在重建的现实环境信息中，达到增强现实的感官体验。 图片来源：wellsennXR 在当前的XR领域中，采用OST方案的，多为AR显示设备，如基于光波导光学的HoloLens系列、Maqic Leap系列、Rokid Glass2、StarVView等，基于Birdbath光学的Rokid MaX、雷鸟Air Plus、Xreal Air 2等。OST方案在真实世界分辨率、现实信息延迟以及焦平面上都更有优势。采用VST方案的，则多为MR设备，如Apple Vision Pro、VarjoXR、Quest3/Pro、Pico 4 Ultra等。VST方案在屏幕亮度、遮挡效果以及FOV上则更有优势。 现实环境亮度：现实环境亮度主要影响影响现实环境信息的清晰度、色彩度、环境适应度等参数。OST的现实环境亮度主要由光学方案透过率和真实环境光亮度决定，可达6600nit或更高，是目前VST亮度的十倍。VST的现实环境亮度由屏幕亮度决定，受限于屏幕以及光学效率，目前在100-660nit之间。 现实环境分瓣率：现实环境分辨率越高，展示的现实画面细节则越多，可提供更好的显示质量。OST的现实环境分辨率即人眼视网膜的分辨率，约为单眼24K。VST的现实环境由显示屏幕模拟，其现实环境分辨率即显示屏幕分辨率，目前主流为单眼2-4K。 图像遮挡效果：图像遮挡效果决定虚拟信息与现实环境的融合程度，遮挡效果越差，则融合程度越差，两者割裂严重，增强现实效果差，用户观感体验也不好。OST的虚拟物体不会对真实物体进行完全遮挡，而是呈半透明状态叠加在真实物体上，且虚拟物体与现实环境的边界部分很难进行像素级的融合处理，导致OST的图像遮挡效果相对粗糙。VST由于都是