突破行业难题,灵犀微光研发出可量产二维阵列波导模组

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在近日举行的慕尼黑上海光博会上,灵犀微光科技宣布研发出可量产的二维阵列光波导模组2D-1。这款阵列波导模组采用了二维扩瞳技术,整体光机重量仅8g,透过率85%以上,42°大视场角,低成本且易于量产。该模组突破了采用阵列光波导方案实现二维扩瞳技术的行业难题,有望成为AR消费级核心光学显示技术的主流方案。

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(灵犀微光二维阵列波导2D-1)

光波导技术因其轻薄外型和光线高透过率被认为是最佳的消费级AR眼镜的光学方案。光波导技术可分为阵列光波导和衍射光波导两种。阵列光波导又名几何光波导。衍射光波导主要利用具有周期结构的衍射光学器件实现光线在波导中的耦入和耦出。阵列光波导通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大。

阵列光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程,光能利用率高,颜色和对比度可以达到很高的水准,没有偏色和色移,单片光波导片镜片可以输出全彩(RGB)高分辨率的图像,因此综合图像质量相比于利用微纳加工制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的体全息光栅波导更好,视觉体验效果较好。

衍射光波导受限于衍射光学器件本身对于角度和颜色的高度选择性,存在色散问题,会导致颜色不均匀,产生彩虹效应。又由于衍射元件会形成多级次的衍射,在光波导显示镜片“外侧”也会显有其他级次的衍射能量,呈现出“外侧漏光”现象,即其他人也能够一样看到佩戴AR眼镜的人看到的内容,不利于隐私保护,达到理想的消费级AR眼镜还有一定的距离。

但是,现行阵列光波导厂商都只研发出了一维扩展的光波导技术,而世界上最领先的衍射光波导镜片(以微软的Hololens为代表)已经广泛采用二维扩展的光波导技术。

二维扩展的光波导技术在消费级AR的应用中非常重要。采用二维扩展的阵列光波导技术,能够同时实现垂直和水平双向出瞳扩展,有效的增加出瞳距离和眼盒大小,显著减少耦入部分的体积,在体积不变的基础上可以增大视场角到50度以上,从而使得AR阵列光波导光引擎能够实现既小体积又有足够大的视场角,解决了视场角和体积之间的核心矛盾,非常适合消费级用户对形态体积、体验观感等都有更高标准的需求,给用户带来极致的AR体验。

但是,由于阵列光波导采用的阵列反射镜序列,实现二维扩展需要设计极为特殊的反射镜阵列结构,保证入射到人眼光能量均匀性。阵列光波导加工工艺采用光学冷加工工艺,工艺难度高,对光学加工的精度和一致性要求高,二维扩展又比一维扩展的工艺难度高了一个量级。所以,阵列光波导的二维扩展技术被认为光波导行业内的重大技术难题。攻克这个难题需要经过持续的技术进化和叠加的量产能力。

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(二维出瞳扩展原理图 )


国内率先突破阵列光波导二维扩瞳技术行业难题

灵犀微光从2014年成立开始就研发和设计光波导显示技术,为了解决光波导显示技术工艺复杂、量产良率低、成本高的国际难题,灵犀微光深耕底层技术和工艺,重点突破超高精度抛光和多层复杂真空镀膜技术,自研精度实时监测和补偿体系,找到精度的平衡点,在制造过程中加上特殊材料,改变了加工属性使得光波导的多重耦合的高精度加工难题得到解决。2018年底,率先实现AW60显示模组70%的良率突破和10万片的量产产能,2019年,灵犀微光研发出世界上最轻量化的光波导模组AW70,在无锡建立的国内第一条AR光波导镜片二代线中试线投入量产,万片以上良率突破75%。

灵犀微光在攻克了一维扩瞳设计和量产难题的前提下,量产能力有充分保证,经过不断的技术迭代和工艺改良,率先突破了行业内阵列光波导二维扩展的重大技术难题,实现了25mm出瞳距离、15mmX15mm之间的眼动范围、85%高透过率,可以在更轻薄的镜片上投射出42°FOV大视场角的画面,且二维扩瞳可达到量产叠加效应;成本控制上,也做到了只比一维扩瞳波导片高15%的控制水平,而在理论值上二维扩瞳比一维扩瞳的量产成本高四至五倍。

灵犀微光光学负责人介绍:“体积方面的优势,灵犀AW70s已经做到业内最轻量化了,我们利用自研的PAD技术,能够把成像和照明耦合在一个系统内,使得一维的光机体积大大缩小,相比同类产品小和轻50%,同时解决光波导光机侧方视野遮挡的核心痛点。在这个基础上,二维我们能够进一步缩小这个体积,二维出瞳扩展会带来光机体积的大幅度下降,能够真正达到消费级AR应用的水平。15%成本上涨是波导片自身的上涨,光机体积的下降意味着光学件设计制造难度下降,整机的价格就会下降,这样会直接推动消费级AR的落地,以更亲民的价格,更轻薄小巧的设备、更好的AR显示效果促进消费级AR早日到来。”

二维阵列波导2D-1 极致的AR显示体验

在AR眼镜中,光线通过光引擎进入藕入光栅,然后通过全反射进入扩瞳光栅进行一维或二维的扩展以增大眼动范围,最后通过藕出光栅将扩展后的光导入人眼。二维扩瞳比一维扩瞳有更好的视觉体验。

据悉,灵犀微光将于近期举办产品体验会,邀请行业专家、合作伙伴和和客户共同体验二维阵列波导2D-1以及灵犀AR系列光学产品和AR眼镜样机。

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(手机拍摄灵犀微光二维阵列波导2D-1显示效果)

巨头布局光波导核心显示技术 提振行业

光波导是被普遍看好的一项对AR眼镜极其重要的光学方案。科技巨头在AR眼镜及光波导技术领域布局也在持续加深,微软从2012年开始研发光波导,相继推出Hololens1和Hololens2,2018年苹果收购AR波导镜片公司Akonia ,2018年谷歌投资了AR眼镜公司Magic Leap。当中苹果在AR领域的布局就有10年左右时间,媒体关于苹果专利的一系列报道显示,苹果目前已经掌握了AR眼镜、光波导、三维内容构建和呈现等诸多专利。而前不久据外媒称社交网络巨头Facebook内部组织数据显示,该公司有近1万名员工在研发AR和VR设备。参与VR/AR研发者占员工总数近20%。

相信随着灵犀微光二维阵列波导的研发成功,科技巨头布局AR产业链的广度和深度进一步加大。

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低成本可量产的二维阵列波导将推动消费级AR的成熟

据悉,灵犀微光二维阵列波导2D-1将于今年下半年投入量产。随着可量产的二维阵列波导研发成功,标志着消费级AR眼镜走向成熟阶段。灵犀微光将继续致力于为消费级AR提供核心显示技术,从产品到研发,持续探索科技前沿,打造量产高阶的AR显示产品,赋能产业,加速消费级AR眼镜的到来。

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