未來10年的AR眼鏡技術(shù)方案

AR智能眼鏡，一直以來都被視為智能手機(jī)之后的下一代計算平臺。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的不斷發(fā)展、更迭，涌現(xiàn)出眾多的硬件品牌，產(chǎn)品形態(tài)日趨豐富，百花齊放，百舸爭流。

縱觀AR產(chǎn)品的發(fā)展軌跡和形態(tài)演變，可以得出AR眼鏡的發(fā)展趨勢：即隨著設(shè)備外觀趨向“小、輕、薄”的同時，圖像質(zhì)感和畫幅尺寸逐漸符合用戶的使用需求，并對現(xiàn)實(shí)環(huán)境的感知越來越清晰。

諸如蘋果、微軟、Meta、谷歌、OPPO、Rokid、Nreal、影目INMO等業(yè)界巨頭和新銳都在這一領(lǐng)域積極布局，其中也不乏理湃光晶、耐德佳等國內(nèi)優(yōu)秀的光學(xué)企業(yè)。

目前采用不同光學(xué)方案的AR眼鏡產(chǎn)品

如果要使AR眼鏡具備畫面清晰的全彩顯示功能和持久續(xù)航的能力，成為一副用于日常生活的普通眼鏡，那么這一切都將取決于AR眼鏡的光學(xué)顯示器件。它猶如信息技術(shù)領(lǐng)域的顯示屏幕，決定著用戶佩戴AR眼鏡后，觀看畫面的方式和能否看到畫面內(nèi)容。光學(xué)顯示器件的技術(shù)路線不僅關(guān)乎AR眼鏡顯示的畫幅大小、色彩飽和度、畫面對比度、圖像清晰度和整體顯示效果，甚至直接影響著AR眼鏡的續(xù)航能力、外觀設(shè)計、佩戴舒適度，以及用戶的使用體驗(yàn)。

蘋果消費(fèi)級AR眼鏡概念設(shè)計圖

有媒體預(yù)測，蘋果的AR眼鏡將會是這樣的形態(tài)。從畫面中可以看到，這副概念設(shè)計的AR眼鏡具有極為輕便的時尚外觀，呈現(xiàn)寬畫幅全彩顯示，同時具備SLAM功能。

而目前市場上發(fā)布的AR眼鏡所采用的主要光學(xué)顯示技術(shù)方案包括：LCoS和棱鏡的組合、Micro-OLED和自由曲面反射/BirdBath的組合、DLP/Micro-LED和衍射光波導(dǎo)的組合、LCoS/Micro-OLED/Micro-LED和幾何光波導(dǎo)的組合等方案。

AR光學(xué)顯示技術(shù)方案概況

早期的光學(xué)技術(shù)方案，存在一個原理性的技術(shù)矛盾，即伴隨著視場角的擴(kuò)大，會使鏡片變厚、體積增大。另外，大部分光學(xué)方案的透光率比較低，無法看清現(xiàn)實(shí)畫面，難以成為AR方案的理想技術(shù)。而光波導(dǎo)技術(shù)方案以其同時兼?zhèn)浯笠晥鼋?、小體積、高透光率、高清畫質(zhì)等特性，將會成為AR眼鏡的終極解決方案。

現(xiàn)有主流AR光學(xué)技術(shù)方案對比

通過對比，可以看出光波導(dǎo)顯示方案的綜合指標(biāo)最高，主要基于光波導(dǎo)利用了光線的全反射技術(shù)原理，可在一片1～2毫米厚度的鏡片內(nèi)進(jìn)行光線的傳輸，從而可以使AR眼鏡的整體結(jié)構(gòu)變得更加輕薄，外觀與普通玻璃鏡片無異。

幾何光波導(dǎo)（右圖），相比左圖的其他光學(xué)方案更加清晰

上圖是采用幾何光波導(dǎo)技術(shù)所呈現(xiàn)的AR智能眼鏡的顯示畫面，這項(xiàng)技術(shù)的供應(yīng)商是上海理湃光晶技術(shù)有限公司，是一家全球領(lǐng)先的幾何光波導(dǎo)顯示器件的開發(fā)企業(yè)，自2012年成立以來持續(xù)專注于AR眼鏡光波導(dǎo)顯示技術(shù)的研發(fā)，擁有自主開發(fā)的幾何光波導(dǎo)技術(shù)專利。理湃光晶已建成年產(chǎn)12萬級的現(xiàn)代化的幾何光波導(dǎo)顯示器件生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)、工藝到穩(wěn)定量產(chǎn)的全線貫通，量產(chǎn)良率高達(dá)85%以上，已累計出貨數(shù)萬套。目前理湃已經(jīng)在產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)能交付上持續(xù)取得突破。

光波導(dǎo)技術(shù)根據(jù)不同的光學(xué)技術(shù)原理和加工工藝，分為衍射光波導(dǎo)和幾何光波導(dǎo)，幾何光波導(dǎo)即是大家常說的陣列光波導(dǎo)。

衍射波導(dǎo)又分為表面浮雕光波導(dǎo)和體全息光波導(dǎo)，其中基于光刻技術(shù)的表面浮雕波導(dǎo)因其光柵顯示的原理，使得在顯示彩色圖像時會出現(xiàn)彩虹色散，導(dǎo)致色彩的豐富性、畫面的均勻性等性能很難有所提升，圖像顏色失真嚴(yán)重。由于光柵的衍射特性，其光效不足1%，在目前AR光學(xué)方案中光效最低。

對比右圖的幾何光波導(dǎo)，左圖采用衍射光波導(dǎo)的AR眼鏡所出現(xiàn)的彩虹色散問題

體全息光波導(dǎo)雖然使用全息光學(xué)元件代替表面浮雕，一片鏡片即可實(shí)現(xiàn)全彩成像，但其本身對生產(chǎn)設(shè)備和掩膜模板的投入要求較高，對生產(chǎn)制程中加工條件限定苛刻，對生產(chǎn)工藝的加工精度和要求較高，因此產(chǎn)品的良率受到較大的挑戰(zhàn)，而其大尺寸又影響了它的產(chǎn)出比和加工成本，現(xiàn)階段體全息光波導(dǎo)無法滿足AR眼鏡的商品化要求。

雖然理想的AR眼鏡顯示技術(shù)還有待提升，但是并非遙不可及。現(xiàn)有的光學(xué)方案中，無論從產(chǎn)品的色彩飽和度和畫面清晰度，還是產(chǎn)品功耗和量產(chǎn)成本等各方面綜合評判，幾何光波導(dǎo)是真正可以實(shí)現(xiàn)理想的產(chǎn)品形態(tài)的光學(xué)技術(shù)方案。

幾何光波導(dǎo)（Geometric Waveguide）

幾何光波導(dǎo)技術(shù)是通過幾何陣列反射原理來實(shí)現(xiàn)圖像的無損輸出和畫面畫幅的擴(kuò)大，業(yè)界的代表是以色列的LUMUS和國內(nèi)的理湃光晶。

幾何光波導(dǎo)采用幾何反射的原理，其光效超過15%，是衍射光波導(dǎo)的數(shù)十倍以上。此外，借助高清微顯示技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高亮度、色彩豐富、景深融合的全彩顯示。由于幾何光波導(dǎo)的色散控制較好，不存在雜色、彩虹效應(yīng)等問題。并且?guī)缀喂獠▽?dǎo)在顯示圖像時，正面漏光率低至1%以下，有效地保護(hù)了用戶的隱私。

采用幾何光波導(dǎo)方案的輕量級AR眼鏡

目前，Rokid Glass 2、INMO Air、亮亮視野Leion Pro等多家AR眼鏡品牌的旗艦產(chǎn)品，均采用了幾何光波導(dǎo)方案作為AR眼鏡的光學(xué)技術(shù)方案，并且獲得了用戶的認(rèn)可和市場的歡迎。

近年來，幾何光波導(dǎo)顯示技術(shù)在理論研究和制造工藝方面得到了飛速提升，已成為AR領(lǐng)域最為成熟和最具發(fā)展?jié)摿Φ墓獠▽?dǎo)技術(shù)方案。如今，束縛幾何光波導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的“難以量產(chǎn)、視場角小、光機(jī)體積大“等問題，均已隨著幾何光波導(dǎo)“二維擴(kuò)瞳”技術(shù)的突破，得到了徹底的解決。

二維擴(kuò)瞳技術(shù)能夠讓AR眼鏡光學(xué)器件更加小型化、更加輕量化，與此同時讓顯示效果更加立體，顯示色彩更加豐富，為深沉浸、強(qiáng)交互和高度集成的AR眼鏡應(yīng)用場景奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

基于二維擴(kuò)瞳技術(shù)的幾何光波導(dǎo)顯示器件（2D Reflective Waveguide）

理湃光晶最新的二維擴(kuò)瞳幾何光波導(dǎo)顯示器件在視場角、眼動范圍以及鏡目距方面取得了巨大的突破，在超過50°視場角和20mm鏡目距的同時，眼動范圍可達(dá)15mm*10mm，入眼亮度超過1,000nits，整體顯示效果保持業(yè)界領(lǐng)先水平。理湃的二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品計劃于近期上市發(fā)售，并與多家重量級客戶展開產(chǎn)品應(yīng)用與定制開發(fā)領(lǐng)域的深度合作。

基于AR眼鏡實(shí)現(xiàn)的出行智能導(dǎo)航

目前基于幾何光波導(dǎo)的AR智能眼鏡已廣泛應(yīng)用在警用反恐偵查、軍用單兵作戰(zhàn)、工業(yè)智能制造、智慧醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、展覽展示、社會公益，以及消費(fèi)應(yīng)用等諸多領(lǐng)域。

某地公安部門使用的警用AR智能頭盔

國內(nèi)一些地區(qū)的公安部門智能頭盔采用了理湃光晶的光波導(dǎo)模組，目前已經(jīng)超過數(shù)千套的配備量，成功應(yīng)用于進(jìn)博會的重大安防保障。執(zhí)勤民警通過佩戴基于該模組的AR頭盔可以實(shí)時進(jìn)行人臉識別、車牌識別并進(jìn)行執(zhí)法記錄。

AR 消費(fèi)端用戶理想中的未來AR世界

在消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域，輕巧、寬畫幅、全彩顯示和保障隱私性的幾何光波導(dǎo)AR智能眼鏡的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的融合交互的橋梁和紐帶，同時為已經(jīng)到來的元宇宙的世界奠定了基礎(chǔ)。它為用戶呈現(xiàn)更精彩的感官體驗(yàn)，為現(xiàn)實(shí)世界帶來更全新的辨析注解，為虛擬世界增加更豐富的場景形態(tài)。

頭戴式的AR眼鏡作為過渡性載體，解決了低成本獲取AR體驗(yàn)的需求，讓大眾走近AR。但是，要解決用戶長時間使用AR眼鏡的要求，必須在產(chǎn)品形態(tài)上面進(jìn)一步優(yōu)化和迭代，做到更輕便、更清晰、更貼近日常的需求。讓AR眼鏡的形態(tài)如同一副普通眼鏡，是所有AR眼鏡廠商和AR光學(xué)企業(yè)的夢想。而AR光學(xué)企業(yè)作為供應(yīng)鏈中提供光學(xué)顯示器件的重要伙伴，更肩負(fù)著幫助AR眼鏡廠商實(shí)現(xiàn)輕量級消費(fèi)眼鏡產(chǎn)品的使命。

如今主流的AR眼鏡旗艦產(chǎn)品均采用幾何光波導(dǎo)技術(shù)方案作為智能眼鏡的光學(xué)解決方案，應(yīng)用光波導(dǎo)技術(shù)顯然已成為了未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，幾何光波導(dǎo)技術(shù)方案已在眾多技術(shù)路線中脫穎而出，并將一騎絕塵，帶領(lǐng)消費(fèi)級AR眼鏡共同開創(chuàng)未來。AR眼鏡的未來必將是幾何光波導(dǎo)的時代。

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