助力消费级AR眼镜升级–极致轻亮的几何光波导显示方案

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AR智能眼镜,一直以来都被视为智能手机之后的下一代计算平台。

增强现实硬件产业经过多年的不断发展、更迭,涌现出众多的硬件品牌,产品形态日趋丰富,百花齐放,百舸争流。

纵观AR产品的发展轨迹和形态演变,可以得出AR眼镜的发展趋势:即随着设备外观趋向“小、轻、薄”的同时,图像质感和画幅尺寸逐渐符合用户的使用需求,并对现实环境的感知越来越清晰。

诸如苹果、微软、Meta、谷歌、OPPO、Rokid、Nreal、影目INMO等业界巨头和新锐都在这一领域积极布局,其中也不乏理湃光晶、耐德佳等国内优秀的光学企业。

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目前采用不同光学方案的AR眼镜产品

如果要使AR眼镜具备画面清晰的全彩显示功能和持久续航的能力,成为一副用于日常生活的普通眼镜,那么这一切都将取决于AR眼镜的光学显示器件。它犹如信息技术领域的显示屏幕,决定着用户佩戴AR眼镜后,观看画面的方式和能否看到画面内容。光学显示器件的技术路线不仅关乎AR眼镜显示的画幅大小、色彩饱和度、画面对比度、图像清晰度和整体显示效果,甚至直接影响着AR眼镜的续航能力、外观设计、佩戴舒适度,以及用户的使用体验。

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苹果消费级AR眼镜概念设计图

有媒体预测,苹果的AR眼镜将会是这样的形态。从画面中可以看到,这副概念设计的AR眼镜具有极为轻便的时尚外观,呈现宽画幅全彩显示,同时具备SLAM功能。

而目前市场上发布的AR眼镜所采用的主要光学显示技术方案包括:LCoS和棱镜的组合、Micro-OLED和自由曲面反射/BirdBath的组合、DLP/Micro-LED和衍射光波导的组合、LCoS/Micro-OLED/Micro-LED和几何光波导的组合等方案。

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AR光学显示技术方案概况

早期的光学技术方案,存在一个原理性的技术矛盾,即伴随着视场角的扩大,会使镜片变厚、体积增大。另外,大部分光学方案的透光率比较低,无法看清现实画面,难以成为AR方案的理想技术。而光波导技术方案以其同时兼备大视场角、小体积、高透光率、高清画质等特性,将会成为AR眼镜的终极解决方案。

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现有主流AR光学技术方案对比

通过对比,可以看出光波导显示方案的综合指标最高,主要基于光波导利用了光线的全反射技术原理,可在一片1~2毫米厚度的镜片内进行光线的传输,从而可以使AR眼镜的整体结构变得更加轻薄,外观与普通玻璃镜片无异。

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几何光波导(右图),相比左图的其他光学方案更加清晰

上图是采用几何光波导技术所呈现的AR智能眼镜的显示画面,这项技术的供应商是上海理湃光晶技术有限公司,是一家全球领先的几何光波导显示器件的开发企业,自2012年成立以来持续专注于AR眼镜光波导显示技术的研发,拥有自主开发的几何光波导技术专利。理湃光晶已建成年产12万级的现代化的几何光波导显示器件生产线,实现了技术、工艺到稳定量产的全线贯通,量产良率高达85%以上,已累计出货数万套。目前理湃已经在产品创新和产能交付上持续取得突破。

光波导技术根据不同的光学技术原理和加工工艺,分为衍射光波导和几何光波导,几何光波导即是大家常说的阵列光波导。

衍射波导又分为表面浮雕光波导和体全息光波导,其中基于光刻技术的表面浮雕波导因其光栅显示的原理,使得在显示彩色图像时会出现彩虹色散,导致色彩的丰富性、画面的均匀性等性能很难有所提升,图像颜色失真严重。由于光栅的衍射特性,其光效不足1%,在目前AR光学方案中光效最低。

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对比右图的几何光波导,左图采用衍射光波导的AR眼镜所出现的彩虹色散问题

体全息光波导虽然使用全息光学元件代替表面浮雕,一片镜片即可实现全彩成像,但其本身对生产设备和掩膜模板的投入要求较高,对生产制程中加工条件限定苛刻,对生产工艺的加工精度和要求较高,因此产品的良率受到较大的挑战,而其大尺寸又影响了它的产出比和加工成本,现阶段体全息光波导无法满足AR眼镜的商品化要求。

虽然理想的AR眼镜显示技术还有待提升,但是并非遥不可及。现有的光学方案中,无论从产品的色彩饱和度和画面清晰度,还是产品功耗和量产成本等各方面综合评判,几何光波导是真正可以实现理想的产品形态的光学技术方案。

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几何光波导(Geometric Waveguide)

几何光波导技术是通过几何阵列反射原理来实现图像的无损输出和画面画幅的扩大,业界的代表是以色列的LUMUS和国内的理湃光晶。

几何光波导采用几何反射的原理,其光效超过15%,是衍射光波导的数十倍以上。此外,借助高清微显示技术可实现高亮度、色彩丰富、景深融合的全彩显示。由于几何光波导的色散控制较好,不存在杂色、彩虹效应等问题。并且几何光波导在显示图像时,正面漏光率低至1%以下,有效地保护了用户的隐私。

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采用几何光波导方案的轻量级AR眼镜

目前,Rokid Glass 2、INMO Air、亮亮视野Leion Pro等多家AR眼镜品牌的旗舰产品,均采用了几何光波导方案作为AR眼镜的光学技术方案,并且获得了用户的认可和市场的欢迎。

近年来,几何光波导显示技术在理论研究和制造工艺方面得到了飞速提升,已成为AR领域最为成熟和最具发展潜力的光波导技术方案。如今,束缚几何光波导技术发展的“难以量产、视场角小、光机体积大“等问题,均已随着几何光波导“二维扩瞳”技术的突破,得到了彻底的解决。

二维扩瞳技术能够让AR眼镜光学器件更加小型化、更加轻量化,与此同时让显示效果更加立体,显示色彩更加丰富,为深沉浸、强交互和高度集成的AR眼镜应用场景奠定可靠的技术基础。

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基于二维扩瞳技术的几何光波导显示器件(2D Reflective Waveguide)

理湃光晶最新的二维扩瞳几何光波导显示器件在视场角、眼动范围以及镜目距方面取得了巨大的突破,在超过50°视场角和20mm镜目距的同时,眼动范围可达15mm*10mm,入眼亮度超过1,000nits,整体显示效果保持业界领先水平。理湃的二维扩瞳产品计划于近期上市发售,并与多家重量级客户展开产品应用与定制开发领域的深度合作。

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基于AR眼镜实现的出行智能导航

目前基于几何光波导的AR智能眼镜已广泛应用在警用反恐侦查、军用单兵作战、工业智能制造、智慧医疗、远程教育、展览展示、社会公益,以及消费应用等诸多领域。

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某地公安部门使用的警用AR智能头盔

国内一些地区的公安部门智能头盔采用了理湃光晶的光波导模组,目前已经超过数千套的配备量,成功应用于进博会的重大安防保障。执勤民警通过佩戴基于该模组的AR头盔可以实时进行人脸识别、车牌识别并进行执法记录。

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AR 消费端用户理想中的未来AR世界

在消费应用领域,轻巧、宽画幅、全彩显示和保障隐私性的几何光波导AR智能眼镜的应用日益广泛,已经成为现实世界和数字世界的融合交互的桥梁和纽带,同时为已经到来的元宇宙的世界奠定了基础。它为用户呈现更精彩的感官体验,为现实世界带来更全新的辨析注解,为虚拟世界增加更丰富的场景形态。

头戴式的AR眼镜作为过渡性载体,解决了低成本获取AR体验的需求,让大众走近AR。但是,要解决用户长时间使用AR眼镜的要求,必须在产品形态上面进一步优化和迭代,做到更轻便、更清晰、更贴近日常的需求。让AR眼镜的形态如同一副普通眼镜,是所有AR眼镜厂商和AR光学企业的梦想。而AR光学企业作为供应链中提供光学显示器件的重要伙伴,更肩负着帮助AR眼镜厂商实现轻量级消费眼镜产品的使命。

如今主流的AR眼镜旗舰产品均采用几何光波导技术方案作为智能眼镜的光学解决方案,应用光波导技术显然已成为了未来的技术发展趋势,几何光波导技术方案已在众多技术路线中脱颖而出,并将一骑绝尘,带领消费级AR眼镜共同开创未来。AR眼镜的未来必将是几何光波导的时代。

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