作者：梁宏恩，HTC VIVE X加速器，VR陀螺授權(quán)首發(fā)

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Magic Leap作為最早開始被人記住的AR硬件公司，迄今為止的融資總額達到了26億美元左右，它的股東包括了谷歌、高通、JP Morgan、阿里巴巴以及后來入場的日本電信NTT；Apple早在2013年就開始為自己的AR硬件鋪路，2018年更是直接收購了生產(chǎn)用于AR眼鏡上的波導(dǎo)反射鏡片公司 Akonia Holographics，同時也在一邊申請了200多個包括頭戴式顯示系統(tǒng)在內(nèi)的AR硬件相關(guān)技術(shù)專利；不僅國外大廠如此，國內(nèi)的眾多AR硬件生產(chǎn)公司也在2019年年初紛紛拿到了風(fēng)投，在短短的幾個月內(nèi)，出現(xiàn)了近十筆涉及AR硬件核心技術(shù)的投資，每筆規(guī)模都在數(shù)千萬人民幣以上。

盡管所有人都認為AR會變成像智能手機一樣強大，但是我們至今仍未能夠在市面上看到一款令人滿意的AR眼鏡，這樣龐大的投入和關(guān)注都未能帶來一款撐得起口碑的產(chǎn)品，AR眼鏡的難點究竟是什么？

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Part 1?

AR產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵部分?

首先讓我們來看看AR硬件整個生態(tài)現(xiàn)在的情況如何。我們抽取其中最關(guān)鍵部分歸納為光學(xué)、整機、操作系統(tǒng)及軟件開發(fā)工具 、內(nèi)容 。

• 光學(xué)

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簡單來說，AR眼鏡的光學(xué)部分 ，就是智能手機的屏幕。AR（增強現(xiàn)實，Argumented Reality）本質(zhì)上是將設(shè)備生成的影像和現(xiàn)實世界重疊，大部分的技術(shù)都是通過光學(xué)組件進行反射、折射、衍射，最終到你的視網(wǎng)膜上成像。

現(xiàn)在 AR 的光學(xué)，依然處于發(fā)展階段。早期的AR產(chǎn)品，大概類似于諾基亞年代手機的屏，亮度低，可視角小，笨重，耗電。而以不同的光學(xué)技術(shù)為核心制造出來的AR眼鏡，存在著相當大的差別，甚至可以理解為不同的物種；沒有一個統(tǒng)一的產(chǎn)品形態(tài)，內(nèi)容、平臺等等的生態(tài)只是沒有基礎(chǔ)的空中樓閣。

在我們看來，AR光學(xué)一天沒有標準，不能做到大視角、輕便、省電、低成本，AR眼鏡就不可能普及。AR光學(xué)是創(chuàng)業(yè)團隊能突圍而出的領(lǐng)域，所以也是VC投資的熱點，當然也是這整個文章的重心所在。

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• 整機

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手機產(chǎn)業(yè)鏈最賺錢的就是整機，目前全球范圍內(nèi)，最有實力而且已經(jīng)制造出最完整的AR眼鏡整機的兩大企業(yè)，分別是微軟和Magic Leap。他們不但制造整機，還開發(fā)自己的AR OS/SDK，光學(xué)模組，內(nèi)容，甚至AR芯片。

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國內(nèi)的大部分AR整機廠商，都是初創(chuàng)企業(yè)，技術(shù)和資源都不可能和微軟、Magic Leap相比。主要是利用國內(nèi)完善的加工產(chǎn)業(yè)鏈，推出自己的整機產(chǎn)品，但多數(shù)不掌握核心部件的研發(fā)能力。目前看來，國內(nèi)的AR整機廠，優(yōu)劣還是看產(chǎn)品化的能力，和2B/2G的市場能力。但當AR眼鏡由2B轉(zhuǎn)變?yōu)?C市場時，手機的大廠一定會進場，2B的市場能力也不再適用。

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• 操作系統(tǒng)及軟件開發(fā)工具

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如果未來AR眼鏡會和智能手機一樣的普及， AR眼鏡的OS（Operation System，操作系統(tǒng)）會是AR生態(tài)鏈的最頂端，就好像IOS和安卓在手機產(chǎn)業(yè)的地位。但目前蘋果和谷歌也沒有正式推出（再推出） AR眼鏡的產(chǎn)品，當然也沒有相關(guān)的OS。目前除了微軟和Magic Leap有自己AR眼鏡的 OS 外，其他大多 AR眼鏡整機的 OS，也是改自安卓。目前看起來，AR 眼鏡的OS，初創(chuàng)企業(yè)很難能和世界科技巨頭競爭。

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從軟件開發(fā)工具（SDK，Software Development Kit）來說，雖然蘋果和谷歌沒有推出 AR 眼鏡的OS，但卻推出了手機/平板用的ARKIT和ARCore，給內(nèi)容商發(fā)開發(fā)AR應(yīng)用，理論上是為了 AR 眼鏡的生態(tài)建設(shè)鋪路。華為，百度，網(wǎng)易等也有提供類似的AR SDK。微軟和Magic Leap，也提供了其AR 眼鏡的SDK，他們的SDK，可能就是和其他國內(nèi)AR整機企業(yè)的最大差別之一。沒有完善的SDK，也不會有第三方去開發(fā)；很多中國的整機商，團隊以硬件為主，能否提供完善的SDK也是一個非常重要的能力體現(xiàn)。

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另外一個層面上來說，AR SDK的功能和傳感器相關(guān)，目前 AR 眼鏡應(yīng)標配什么傳感器也沒有定論，因此對于SDK的市場機會，目前還是言之尚早。更廣義地講，AR SDK也包括AR云等，如美國的Ubiquity6，去年拿了近3千萬B輪，投資機會還是存在，但目前看來不多。

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• 內(nèi)容

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除了微軟和Magic Leap以外，很少獨立內(nèi)容開發(fā)者為其他AR整機開發(fā)應(yīng)用，原因也很簡單，微軟和Magic Leap 的AR整機加起來也沒有多少量，更不要說其他廠商了。

不少中國的AR整機廠商，會針對B端的客戶定制內(nèi)容，以項目形式，軟硬件后臺系統(tǒng)整合的方案高價出售。因為沒有獨立內(nèi)容開發(fā)者，有些整機連SDK都沒有提供，更不要說應(yīng)用商店等平臺。AR的手機內(nèi)容，有可能會出現(xiàn)爆款游戲；但目前AR眼鏡的內(nèi)容，暫時沒看到有成為殺手級應(yīng)用的可能性，也代表沒有多少投資機會。

我們整理了目前市面上部分AR領(lǐng)域供應(yīng)商，并進行了分類，通過對比可以清晰地看到目前整個行業(yè)的分布和各家所長。

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通過以上的分析，我們可以清楚地看到，目前AR眼鏡的窘境是在于一個被普遍認可的產(chǎn)品形態(tài)仍然沒有被清晰地定義出來，其中最為關(guān)鍵的部分，就是產(chǎn)品所采用的AR光學(xué)。

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Part 2?

?AR光學(xué)的分類??

那么，目前市面的AR光學(xué)方案有哪些？它們的優(yōu)點和缺點是什么？

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正如前文所講，AR光學(xué)在AR產(chǎn)業(yè)鏈里目前最有投資看點，坊間也有一些相關(guān)AR光學(xué)的專題文章，但是普遍來講，分類過度著重如光路設(shè)計，材料等技術(shù)，一般讀者和甚至投資人難以理解。

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我們嘗試以產(chǎn)品的外觀，成像效果，使用場景和成本等分類，再加以技術(shù)細分，讓大家更容易明白和記住。以下我們把AR光學(xué)，分成小棱鏡類，曲面反射類（大曲面，小曲面），光波導(dǎo)類（反射光波導(dǎo)，蝕刻光柵波導(dǎo)，全息光柵波導(dǎo)），小孔成像等其他類別。

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I) 小棱鏡類Prism

Google Glass上使用的光學(xué)方案。通過投影到帶有切割反射面的小棱鏡上成像，光的傳播路徑上，較多采用半透半反平面和球面的反射的方式（稱為Birdbath）。也有采用其他鏡面做反射的產(chǎn)品，但普遍以棱鏡為主。一般視場角約20度，重量約50克。

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棱鏡的光學(xué)部分成本大概只需小幾十美金，方案比較成熟，技術(shù)門檻低，已經(jīng)有多家廠家推出過類似產(chǎn)品。由于重量輕，容易布置到普通眼鏡上，在很多信息提示的應(yīng)用場景中被推薦使用，例如公安執(zhí)法，工業(yè)遠程協(xié)助。因為不會遮擋人眼的視線，有案例指出，工人在工業(yè)使用中認為棱鏡類方案甚至比微軟Hololens2更方便實用。

因為視場角小，小棱鏡類方案大概只能成為Apple Watch或小米手環(huán)等顯示通知的配件，是沒可能實現(xiàn)Magic Leap的鯨魚在體育場跳水的AR效果，和大眾對AR的期望有差距。除了個別行業(yè)應(yīng)用，小棱鏡類很難會出現(xiàn)消費級的產(chǎn)品。

II) 曲面反射類Surface Reflection

曲面反射類主要利用鏡面反射的原理成像，在光傳播路徑的設(shè)計上，可采用Birdbath方式，或投影到鍍膜曲面上進行反射（稱為離軸反射）等光學(xué)方案。但以光路和組合鏡的方式來劃分對普通讀者過于復(fù)雜，所以我們只簡單分為大曲面與小曲面類。大曲面與小曲面的類別的區(qū)分其實并不嚴格，市場上有一些產(chǎn)品已處于分類的邊界。

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1. 大曲面類Big Curved

視場角最大（110度）的光學(xué)方案，也就是前些年星戰(zhàn)AR頭顯的方案。成本低（小幾十美元），技術(shù)成熟，良好的成像效果和超大視場角，帶來很高的沉浸體驗，但體積過大，不便于日常長時間佩戴，但用戶可以戴眼鏡，市場機會在線下AR游戲，主題樂園，教育和工業(yè)培訓(xùn)等。目標市場明顯，但技術(shù)門檻低。

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（如圖：眼前一塊較大反射鏡片或蟲眼式鏡片，體積一般較大類似頭盔，覆蓋到額頭的位置，整體眼鏡向前突出）

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2. 小曲面類Small Curved

接近普通眼鏡外觀的曲面反射眼鏡，市場上目前具有高性價比。小曲面類可以有棱鏡組合或鍍膜反射鏡組合，原理基本上與大曲面類似，但是得益于超小的顯示器件，垂直高度非常緊湊，集成傳感電路后，體積和厚度也可做到太陽眼鏡大小。一般地，視場角可以做到30-50度，空心的小曲面模組重量很輕只有約10克。

小自由曲面眼鏡成本較低，成像效果優(yōu)良，體積也適合佩戴。使得在最近的一段時間內(nèi)，出現(xiàn)了不少采用此方案的新產(chǎn)品上市，看似是未來一兩年國內(nèi)AR產(chǎn)品主流。

不過，小自由曲面依然需要一定的厚度來形成反射鏡，所以無法最終做到如同普通眼鏡的厚度。還有大多數(shù)鏡片表面有明顯的反射圖案，影響佩戴者形象上的親切感。

小曲面模組一般單個帶顯示電路的模組價格在200美金左右。

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III) 光波導(dǎo)類Waveguide

光波導(dǎo)方案，利用光在玻璃鏡片中的全反射原理，可以做到在一塊僅為2mm厚度的鏡片上傳輸影像。產(chǎn)品在重量大小和形態(tài)上是最接近傳統(tǒng)眼鏡，長遠來說是最有潛力的消費級AR光學(xué)方案。

我們將其分為以下三類。

1. 反射光波導(dǎo)Reflective Waveguide

市場上最早出現(xiàn)的近似普通眼鏡的AR方案。反射光波導(dǎo)利用投影光在超薄玻璃中全反射，到特定位置反射入眼成像。視場角約30-50度，重量可以到100克以內(nèi)。

反射光波導(dǎo)早期由于做到接近于日常佩戴眼鏡的厚度的觀感而受到高度關(guān)注。因為全色彩的反射，使得鏡片很薄的同時，成像效果清晰，色彩還原度高。

但是以色列廠商LUMUS在此方案上積累了很多的專利，國內(nèi)外大部分廠家要出口產(chǎn)品的話，目前都很難繞過。而且陣列反射光波導(dǎo)因為本身工藝的復(fù)雜（玻璃的切割、鍍膜、粘貼、打磨），造成了生產(chǎn)良率較低，很難提高，所以單片光學(xué)模組成本較貴。

反射光波導(dǎo)帶顯示電路的模組價格高達數(shù)百美元。

2. 蝕刻光柵波導(dǎo)DOE

目前微軟和Magic Leap的AR眼鏡方案采用的光學(xué)方案。衍射光波導(dǎo)利用投影光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上蝕刻的光柵，發(fā)生衍射現(xiàn)象，折射成像。視場角目前大約30-50度，整機重量數(shù)百克。

衍射光波導(dǎo)只需要在鏡片上蝕刻壓印出規(guī)律性的紋理，所以可以用很小的面積來成像。也有廠家通過多層鏡片的疊加，做出多個焦距的畫面。蝕刻的工藝可以采用半導(dǎo)體行業(yè)成熟的制造技術(shù)，所以大批量生產(chǎn)時良率很高，成本遠低于幾何光波導(dǎo)方案。半導(dǎo)體工藝與設(shè)計的要求，使得技術(shù)和資金壁壘很高。

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但是光的衍射會造成色散，使得畫面成像時需要按照色彩的分布規(guī)律重新繪制圖案，需要一定的算法設(shè)計能力，由于原理上的缺陷，依然會出現(xiàn)色彩與原圖案的差別，普遍存在色彩還原度較差的問題，畫面出現(xiàn)彩虹效應(yīng)。

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目前帶顯示電路的衍射波導(dǎo)模組，價格高達數(shù)百美元，但長遠來講，量產(chǎn)成本會逐步降低。?

3. 全息光柵波導(dǎo)HOE

最接近普通眼鏡形態(tài)的全彩色AR眼鏡，但也是最不成熟的方案。全息光波導(dǎo)利用光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上全息材料的薄膜，反射成像。雖然名稱中有全息，但只是利用了全息照相的原理在鏡片上制作一層薄膜，并非代表成像效果具有全息景深。一般視場角約30-40度，整機重量可以在100克以內(nèi)。

全息光波導(dǎo)可以在曲面形狀的單層鏡片上進行曝光形成全息膜，所以可以生產(chǎn)出最接近傳統(tǒng)有曲面的眼鏡的AR產(chǎn)品。而且不需要大型的生產(chǎn)設(shè)備，成本只依賴玻璃和全息膜，可以做到最便宜的光波導(dǎo)方案。

但是全息鍍膜的化學(xué)一致性較難控制，而且全彩色時有圖像色彩吻合等問題，暫時沒有成熟的彩色量產(chǎn)產(chǎn)品。

全彩色的全息波導(dǎo)的光學(xué)鏡片，價格一般幾十美元，甚至有團隊宣稱未來可以做到接近20美元。

順便提一下，部分采用全息成像的AR眼鏡無需光波導(dǎo)材料作為傳播介質(zhì)，直接反射成像，可稱為全息光柵透鏡技術(shù)。產(chǎn)品輕便度和成像效果與全息波導(dǎo)類產(chǎn)品類似。例

如下圖的North Focals

IV) 其他類別

1. 小孔組合鏡類Pinhole Mirror

異軍突起的高性價比AR方案。利用光波導(dǎo)與帶微結(jié)構(gòu)的小孔陣列進行成像。小孔微結(jié)構(gòu)可避免了一般組合鏡較復(fù)雜的合并工藝，可以在很薄的鏡片上實現(xiàn)，而且折射角度可以更大。視場角號稱80度，重量可以100克內(nèi)。

小孔組合鏡通過波導(dǎo)材料傳輸圖像到幾個小孔中發(fā)生反射，完成成像，需要一定的設(shè)計能力。生產(chǎn)成本只依賴于鏡片與小孔加工的難度和一致性。而且小孔成像的視場角很寬，光線沒有散射現(xiàn)象，圖像還原度高。

目前根據(jù)看過樣品的人的反映，需要靠近到鏡片很近的位置，才可以看到成像效果，但是畫面清晰。

韓國的Letin AR是此領(lǐng)域的領(lǐng)先者，目前市場上還沒有量產(chǎn)產(chǎn)品。

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?此外Vive X第二期的舊金山初創(chuàng)公司Kura AR近期推出了名為Gallium的AR眼鏡，其中也采用了Pinhole Mirror類的技術(shù)，號稱視場角可以做到150度。?

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2. 視網(wǎng)膜投影

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坊間有不同的名字，包括視網(wǎng)膜成像，激光掃描等。

由低功率的激光光源，通過MEMS上的鏡片掃描反射，不需要通過角膜和晶狀體聚焦，接射入視網(wǎng)膜成像。優(yōu)點是高亮度（20000nit)，功耗超低，F(xiàn)OV大（70度）。

但利用激光進行視網(wǎng)膜投影遇到的主要挑戰(zhàn)是可視范圍非常?。ㄗ⒁猓嚎梢暦秶涂梢暯荈OV不是同一個概念），也就是眼球稍微移動后，激光掃描的成像點就會有所偏差 ，無法實現(xiàn)清晰成像。要製造成AR眼鏡，需要非常精確和快速的眼球追蹤，甚至要比目前市面上Tobii和七鑫易維還要精確十倍以上才能實現(xiàn)。

因為任何視網(wǎng)膜的損傷，都是不可逆轉(zhuǎn)的，盡管激光的功率多低，直接用激光投到視網(wǎng)膜，都是有一定的風(fēng)險，最終用戶和廠家大概不太愿意承擔(dān)。?

我們曾經(jīng)在國外親身體驗視網(wǎng)膜成像，和精確的眼球追蹤，光度足以在白天的天空中成像，但產(chǎn)品原型的體積仍然較大，基于保密原因，我們不能透露更多的信息。

如圖為日本半導(dǎo)體激光器研發(fā)、制造和銷售公司QD Laser的RETISSA Display II眼鏡。

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3. See Through模式

通過VR設(shè)備的前置攝像頭采集周圍環(huán)境，再在屏幕中展示合成的圖像。優(yōu)點是FOV很大，技術(shù)成熟，虛擬影像可以深度融合現(xiàn)實世界，舉個極端例子，你可以把眼前的女生實時換臉，換裝，這是之前所說的AR技術(shù)都做不到的。

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目前主要問題是VR設(shè)備比較大，像素相比視網(wǎng)膜還不算高。而且重新合成圖像比肉眼觀察周圍實景有一定的延遲。但未來的VR設(shè)備會越來越輕薄高清，延遲的問題也會因算力的提升和5G而解決。See Through也有可能成為未來AR的一個強力選項。

4. 其他組合鏡

AR光學(xué)依然在發(fā)展階段，下圖是 SIGGRAPH 2019 上出現(xiàn)的NVIDIA AR光學(xué)方案，融合了棱鏡、小曲面、全息HOE等等光學(xué)組件。

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Part 3?

為了更好地對比，我們整理了下面這張表格，其中以消費者的角度，建立了以下幾個維度：

• 成本：預(yù)計量產(chǎn)成本（成本越高，評分越低）

• 技術(shù)壁壘：技術(shù)研究的復(fù)雜以及專利等壁壘（壁壘越高，評分越高）

• 成熟度：技術(shù)與量產(chǎn)的距離

• 硬件舒適度：重量、大小等

• 成像效果：視場角，出瞳、景深、多重景深等綜合效果

最后我們也整理了市場上多數(shù)整機產(chǎn)品的光學(xué)方案。

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本文作者：梁宏恩，HTC VIVE X加速器 資深技術(shù)經(jīng)理

HTC VIVE X加速器 從2016年開始聚集AR/VR行業(yè)的早期投資，接觸近千家AR/VR創(chuàng)業(yè)團隊，投資過百個創(chuàng)業(yè)團隊，為多家VC、行業(yè)伙伴提供決策咨詢。

?Vive X 加速器得益于Vive在VR AR產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位，一直以來得到行業(yè)內(nèi)很多伙伴的支持，我們有幸可以看到來自包括歐洲，以色列，美國，日本等不同公司的領(lǐng)先的解決方案。我們也會持續(xù)地為行業(yè)投入資源，幫助初創(chuàng)企業(yè)快速成長。

希望能夠通過這樣一篇文章，來讓更多的投資人以及行業(yè)伙伴了解目前AR硬件以及AR光學(xué)的發(fā)展，歡迎各位有興趣的讀者與我們交流。