光学作为AR智能眼镜最核心的技术之一,决定着产品体积重量、外观设计、佩戴体验、产品定位和应用场景等,重要性不言而喻。如今大家都在关注AR眼镜的轻量化,光波导是一个愈发关键的技术路径,其凭借“清晰、轻薄、透亮、大FOV”等优势,已经成为越来越多AR整机厂商的首选光学方案。
消费级AR眼镜更优解:二维阵列光波导
INMO Air 采用阵列光波导技术方案
几何光波导是两大AR光波导路线之一,是基于传统几何光学的原理进行设计和制造的光波导方案,因几何光学的原理简单,几何光波导的设计思路相对明确、制备技术较为成熟,光学成像质量高,无偏色情况,同时结合扩瞳技术可以在保证图像质量同时获得较大的动眼眶范围。凭借着这些优点,几何光波导成为目前AR近眼显示技术的主流方案之一,其中以阵列光波导为主要应用方向。
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光波导分类 图源:《增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展》姜玉婷等

阵列光波导生产技术路线

阵列光波导采用的是传统光学冷加工工艺。阵列光波导的加工流程主要是研磨、抛光、镀膜和胶合。
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阵列光波导加工流程 图源:《增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展》姜玉婷等
首先通过切割玻璃基材获得各种规格的波导小棱镜,然后对小棱镜进行粗磨、精磨与抛光,之后在小棱镜上分别镀不同膜系的薄膜获得不同的反射/透射比,最后对小棱镜进行胶合将它固定为表面光滑的波导片,并通过测角仪、干涉仪等仪器对波导片进行检测。
目前光学镀膜、光学切割、纳米研磨、纳米抛光、精雕加工等工艺已经十分成熟。在光学元件组装上,理湃光晶、珑璟光电等光学模组企业已实现针对光学玻璃的分子键合工艺,以替代传统的胶水胶合加工工艺。
胶合工艺具有量产难度大,影响显示效果,造成杂散光、偏色,易受环境影响,产生老化、开裂等问题。分子键合工艺则在分子层面使贴合层形成新的稳定的分子键,以分子作用力使贴合面紧密平整地结合在一起,从而加强键合强度、提升贴合面平整度、减小相对间距,有利于提升产品的键合良率和显示效果。另外,分子键合工艺采用自动化设备加工,可以同时完成多批次、大批量的生产,从而解决产品的量产性,并大幅度提高生产良率。
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一维扩瞳阵列光波导产品中,光机体积与产品的FOV(视场角)直接正相关,FOV越大,光学模组体积越大,基于该局限,二维阵列光波导方案应运而生,解决了一维扩瞳阵列光波导光机体积与FOV、EYEBOX之间的矛盾。
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二维阵列光波导 图源:珑璟光电
二维扩瞳阵列光波导方案通过在X、Y轴方向对光线进行多次扩展,能同时实现垂直和水平双向出瞳扩展,从而有效的增加出瞳距离和eyebox大小,显著减少耦入部分投影光机的体积。使AR眼镜的核心光学器件更加小型化、更加轻量化,与此同时实现显示效果的更优呈现,显示色彩的高还原、高饱和呈现,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。

二维阵列光波导布局企业

1. 以色列Lumus

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lumusvision.com
2021年,Lumus首次推出Lumus Maximus,二维阵列光波导眼镜原型。在CES 2023期间,Lumus推出第二代反射光波导模组:Lumus Z-Lens,Z-Lens是基于Lumus二维扩瞳光波导技术(2D Maximus),其特点2Kx2K分辨率、3000尼特/瓦亮度、50 FOV、兼容户外亮度、可定制屈光调节镜片,且支持体积更小的光学引擎(约缩小50%)。利用Z-Lens开发的AR眼镜从外观看和普通眼镜足够接近,用户在白天强光下也能使用。
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Lumus Maximus

2. 珑璟光电

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www.lochn.com
2021年珑璟光电完成二维扩瞳的产品研发,解决了一维扩瞳阵列光波导体积和视场角(FOV)无法兼顾的问题,并成功将模组体积和重量缩小近3倍。2022年,珑璟光电多个二维阵列光波导实现量产,对40°、60°波导产品进行了持续的迭代优化,各方面的技术指标和显示效果大大提升,符合更多场景的使用,同时,在工艺上有了飞跃的突破,工艺难点专题逐一攻破,实现了分光斜面全光胶的贴合。
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珑璟光电二维扩瞳阵列光波导 - LCE2203F

3.  耐德佳

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耐德佳在2015年即开始了阵列光波导的布局,2021年初,耐德佳为解决目前第一代和第二代一维阵列光波导的相关使用问题,直接启动第三代产品——二维阵列光波导的研发立项,并快速投资了阵列光波导的研发和生产产线。历时一年多,耐德佳成功研制出第三代二维阵列光波导产品,并实现小批量量产。后期耐德佳会继续进行小型化LCoS高亮度光机研发,目前耐德佳二维阵列光波导40°FOV小型化光机可达到1.3cc。耐德佳二维阵列光波导3.0实现了全彩显示、成像清晰,色差和畸变控制较好,入眼亮度可以达到1000nits以上。
消费级AR眼镜更优解:二维阵列光波导耐德佳二维阵列光波导3.0产品

4.  理湃光晶

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www.raypai.cn
理湃光晶二维扩瞳阵列光波导已于2022年9月实现量产上市,同时,位于江苏昆山的几何光波导模组生产基地于2022年初建成,一期规划年产能达10万套。理湃光晶光波导产品实现二维扩瞳的突破在于:自主开发的针对光学玻璃的分子键合工艺,替代传统的胶水胶合加工工艺,彻底解决了胶合工艺的生产问题。
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理湃光晶二维阵列波导 G3-E

5.  灵犀微光

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www.lx-ar.com
 
灵犀微光行业首创基于阵列光波导的二维扩瞳技术AR光学模组,已就透光度和光能利用率上实现突破,普遍透光度可以达到82%以上,实现60°视场角。灵犀微光在江苏无锡、浙江杭州建立生产制造中心,阵列光波导模组已突破85%良率,具备年产10万片量产产能。
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灵犀微光二维扩瞳阵列光波导2D-1
 

 

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作者 sun, keting

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