主流光学显示方案几何光波导助力AR眼镜落地

11月15日艾邦在上海举办了第四届AR/VR产业链论坛。理湃光晶市场总监余群女士也出席了本次活动，并以《主流光学显示方案几何光波导助力AR眼镜落地》为题进行了分享。

理湃光晶余总监就AR眼镜能够带来的独特益处以及对光学系统的诉求，以理湃光晶为代表的几何光波导光学显示系统，理湃几何光波导产品矩阵和应用进展三个方面向大家进行了介绍。

人类历史上有非常多划时代的产品，远到蒸汽机、电动机、电灯、电话，近到芯片、电子计算机、个人 PC 以及智能手机，每一次产品的革新都颠覆性的改变人们的生活方式，影响也非常深远。例如 PC 的出现完成了由线下到线上的转变，智能手机的出现更是突破了时间和空间的限制，让使用者能够24 小时在线。但是智能手机发展到一定高度，必然是会面临着从增量转存量的一个阶段，下一个增长点在哪里？大家把目光纷纷看向了 AR 智能眼镜。

AR 智能眼镜被认为是下一代移动智能终端及空间计算平台。余总监提到，AR 眼镜历经多次迭代发展，目前光学方案趋于成熟，AR 眼镜在 B端多领域实现落地，短期C端主要以智能手机配件的形式存在，但是长期看来，AR 智能眼镜必将拥有智能手机的全部功能，将颠覆目前人类获取信息的方式，开启下一代的消费电子革命。

目前，国内外科技巨头以及创业新贵纷纷布局AR，因为他们看到了 AR 眼镜能够带来的独特益处。

首先，AR 眼镜能够摆脱物理屏幕的限制，让人们能够随时随地的沉浸在一个移动的巨幕当中。传统的电脑搭载 CRT 或 LCD 显示屏，尺寸大多在 10-30 寸，智能手机搭载LCD 或OLED显示屏，尺寸也大多在 3-7 寸，而 AR 智能眼镜搭载近眼光学显示镜片，FOV 可以做到二十几度至七十度，以 FOV 为 40 °的 AR 智能眼镜为例，其显示效果相当于 3 米外有一个 85 英寸的大屏。

第二点是 AR 眼镜给人们带来第一视角感知环境的体验，能够识别万物，让体验加倍，同时能够解放双手。综上所述，AR眼镜比智能手机更有优势，同时结合眼镜当中部署的应用，能够轻松为大家实现增效降本。

• 第一是用户愿意戴。打造一款大家愿意戴的 AR 眼镜，必然要从重量、续航、佩戴的舒适度以及外观 ID 等方面去做深入的考虑；

• 第二是做出来的AR 眼镜要有价值。一个新产品的出现，必然是因为在某些场景下能够满足用户的痛点，这就意味着 AR 眼镜也有功能上的要求，例如最基本的虚实叠加、交互的便捷性等。

对光学系统的诉求有以下几点：

• 全真彩——显示丰富且细腻的内容信息

• 高分辨率——高成像质量

• 小型化——打造轻便而日常的形态（光机小型化、镜片尽可能轻薄）

• 高透过率——增加对现实环境的感知，实现虚实叠加

• 低功耗——满足A R眼镜一天的续航需求

• 大视场角——更大的虚拟显示屏幕，呈现更丰富的信息以及带来沉浸

• 易于造型——轻松打造更出街的外形

• 第一，FOV 不够大，谷歌眼镜 FOV 是 15 °，其镜片厚度就已达到 10 mm，如果要进一步的提高 FOV ，相应的镜片厚度也要进一步增加，这意味着用棱镜方案生产出来的光机体积和 FOV 有天然的矛盾。

• 第二棱镜方案的成像不是在人眼的正前方，需要用户斜着眼睛去看画面，体验感很差；

• 第三是透过率的问题，棱镜方案只有 50% 的透过率，获取外界信息的能力并不是特别充足。

自由曲面方案的技术及供应链的成熟度都很良好，主要的问题也是透过率太低，另外它的光学镜片非常厚，难以获取外界的信息，光学畸变较严重。Birdbath 方案和自由曲面方案有一些类似，一般搭载OLED的显示屏，显示效果非常好，它的 FOV 可以做到 30° 到 50 °，光机的体积较前两种方案也做了一些优化，体积相对来说比较小，唯一不足的是镜片厚度仍然比较厚并且有双面显示的问题，只适合用于观影和娱乐，不适合人体大幅度运动。

经过上述方案的对比可以看出，光波导方案兼具高透、轻薄、大视场角以及体积小等特点，被认为是最优的AR 眼镜方案。光波导又分为几何光波导和衍射光波导，几何光波导是几何光学的一种，在光机当中存在一些光学元器件可以控制光的传播路线，将微显示屏当中的画面耦入进波导片后，耦入进波导片的光线会继续传输，直到遇到了半透半反的镜面再反射入人眼。

衍射光波导分为表面浮雕光栅和体全息光栅，两者都使用光的衍射原理，不同点是引起材料周期性变化的方式不太一样。表面浮雕光栅主要采用纳米压印的方式，体全息光栅是通过曝光产生明暗条纹的方式引起周期性的变化，有入射光栅和出射光栅。入射光栅将光耦入进波导，出射光栅相当于是几何光波导半透半反的一个镜面，被耦入进波导的光会继续传输，直到遇到出射光栅，一部分光会通过光的衍射投入人眼，另外一部分光会继续在波导当中传输，直到遇到下一个出射光栅，以此实现一维扩瞳。一维扩瞳可以实现 x 方向上动眼框的扩大，如果能够进一步的实现 y 方向上的扩瞳，就可以进一步的扩大动眼眶，使AR 眼镜能够兼容更大的瞳距范围。

采用光栅技术的衍射光波导在操纵光的特性方面会比几何光学更具灵活性，所以更适合做二维扩瞳领域。拥有更大的动眼框是衍射光波导最大的一个优势，但是其劣势也非常明显，主要有以下四个方面：第一它的光效非常低；第二它对光机方案的限制非常大，例如搭载LCOS光机，需要更亮的背光系统，从而带来功耗和散热的问题，和其他的光机方案（ LBS / DLP）匹配，又会有体积大、功耗高、单一来源等问题存在；第三它的显示效果不好，不同的入射光会有不同的衍射角，而不同的衍射角又有不同的衍射效率，从而导致衍射光波导存在色散和彩虹效应的问题；最后一点是它还存在漏光率及双面显示的问题。

目前，行业内许多厂商对几何光波导存在很多误解，认为几何光波导在工艺的流程上非常复杂，在良率、成本以及某些产能方面比较难优化。但其实不是如此，余总监提到，因为几何光波导制造的原材料是普通的光学玻璃，成本相应来说非常低，另外它的加工工艺选用传统的光学冷加工工艺，主要包括切割、抛光、镀膜以及多片玻璃的贴合，其中主要的工艺难点就是多片玻璃的贴合以及镀膜还有切割精度的保证，最具壁垒的就是多片玻璃贴合这一步。

行业内其他友商常见做法是采用胶合工艺，但用胶水去粘会出现几个问题，第一良率太低，因为玻璃和胶水是两种物质，去贴的时候很容易贴不平，产生楔形，一旦有楔形就会不可避免存在色散的问题，这样的波导片就是不良品。第二贴的时候容易产生气泡。第三是折射率的问题，因为玻璃的折射率和胶水的折射率不太一样，如果在未来要做更大 FOV 的波导，那么首先要有更大 FOV 的玻璃基材、更大 FOV 的胶水，但大折射率的胶水找起来难度较大，且不一定与玻璃基材适配。第四是波导片寿命的问题，采用键合工艺生产的波导片，寿命是没有任何问题的，实质是基片和基片产生了之间的分子键合。而采用胶合工艺去加工的波导片，不但摸起来凹凸不平，而且胶合面肉眼可见；在冷热高低温冲击的情况下，采用胶合工艺加工的波导片也很容易有脱胶、发黄等问题。

理湃光晶核心能力

1. 光学方案全链路自主设计
2. 波导制备工艺难点全突破

3. 低功耗高亮投影光机制造

光学方案包含光机和波导片两部分，理湃光晶拥有光机以及背光系统、一维波导片、二维波导片的设计能力，其中最重要的是，理湃光晶具有领先的加工制造能力，在波导、模组或者是光机的加工制造当中累积了很多经验，对于波导以及光机生产过程当中的工艺难点，目前实现了全突破。对于客户的一些定制需求，理湃光晶也可以基于可制造性给予反馈来完成最终波导或模组的交付。

理湃一维扩瞳几何光波导

目前理湃的一维扩瞳波导片厚度可以做到1. 45 mm左右，透过率超过 90% 以上，光效可以达到 13% - 15%，在显示方面，因为几何光波导依托光的全反射，符合入射角等于反射角的反射定律，所以对于构成全彩显示三原色的入射光没有色散作用，可实现高亮度、真全彩、景深融合的高质量显示，这也是对专业显示器最基本的要求。在漏光率方面，目前理湃光晶镜片的漏光率控制在 1% 以下，没有双面显示的问题。

在理湃的几何光波导一维扩瞳的光学显示系统中，可以将一维扩瞳的波导片和 LCOS /Micro-OLED显示方案结合，其波导片的形式可以根据客户的需求定制，例如大波导片或小尺寸的波导片。理湃光晶一维扩瞳的光学显示系统优势在于，首先显示效果非常好，技术非常成熟，在一维的产品中已经有型号入眼亮度可以达到 3000 尼特，其次量产性较好，成本非常可控。

理湃二维扩瞳几何光波导

二维扩瞳技术是几何光学里面的一个行业难题，目前理湃光晶已经突破了二维扩瞳技术的瓶颈。一维扩瞳因为镜片半透半反，可以实现 x 方向上的扩瞳， y 方向上的扩瞳主要是依靠于光机的出光口径，所以一维扩瞳的模组会存在 FOV 和光机体积的矛盾：如果要更大的FOV，光机体积也应该相应的变大。二维扩瞳技术对 y 方向上的扩瞳，不依靠于光机的出光口径，而是通过镜片上的扩展区去实现，解决了 FOV 和光机体积、眼动范围的矛盾。“二维扩瞳”技术的突破，使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，得到了彻底的解决。

目前理湃光晶的二维扩瞳镜片可以和LCOS/DLP /Micro LED 的显示方案结合，使镜片具有小型化、轻量化、兼容性好、更大FOV 等特点。

理湃光晶成立于2012年，是AR智能眼镜核心显示器件提供商，专注于几何光波导显示器件的方案创新和产品开发，是全球领先的拥有几何光波导核心知识产权的科创企业。理湃光晶自主开发的分子键合工艺，突破了传统胶合工艺量产难度大、良率低、显示效果差等原理性瓶颈问题，波导良率已稳定超过85%，为二维产品规模量产和稳定交付提供有力保障。理湃光晶现已达成几何光波导年产10万套的量产交付能力，成为AR头部企业和整机厂商的核心供应商。产品依托轻薄、高透、全彩等优势，已广泛应用于消费领域和工业、安防等行业场景，是AR落地元宇宙的核心器件。

理湃光晶优势

• 最早自主研发——为国内最早开展波导技术的研发；从设计至产品研发均为正向开发；

• 自主波导专利——拥有完全自主研发的几何光波导相关核心专利；已授权数十项光波导相关发明专利；

• 成熟键合技术——拥有国内成熟键合工艺，颠覆传统胶合技术路线，波导生产效率提升近23倍；

• 攻克皇冠技术——成功攻克二维扩瞳皇冠技术；二维波导模组FOV30°~ 70°；

• 头部客户认可——为头部AR整机厂商的独家供应商；已获进入国内外多个品牌大厂供应链；

• 万套模组出货——累计出货数万套；量产良率稳定在85%+；已搭建年产10万套的量产线。

理湃光晶2012 年成立， 2013 年便已开发出了首款几何光波导镜片，2014 年开发出首款 AR 智能眼镜，核心专利于2015 年得到授权， 2016 年开始实现订单的销售， 2019 年公司战略调整，决定砍掉AR 整机的业务，专心做 AR 眼镜上的核心器件的研发和销售，同时承接了首个 K级订单，2022年理湃光晶昆山10万级生产基地建成并投产。理湃光晶从 2013 年第一款波导片生产一直到现在的批量交付，都是采用键合工艺。

理湃几何光波导产品矩阵和应用进展

理湃光晶一维扩瞳的产品系列非常丰富，FOV 从25°到40°，光机的形态从侧头到顶头都有对应产品，客户可以根据其对产品的定义，选择相应的型号进行整机的装配。目前理湃光晶已有多个型号在批量交付中。

LPM 30是理湃光晶今年下半年新推出的一维扩瞳的模组，主打轻量级高亮。因为波导片的形状可以根据客户的需求去定制，在保留最核心的光学显示区域，把其他区域都裁切的情况下，整个模组重量可以达到 9g，平均入眼亮度可以高于 2000 尼特，最亮可以到 3000 尼特。

T50 也是理湃光晶今年下半年新推出的模组，是一个全国产的方案，将一维产品家族的FOV 从原来的 40 °提升到了 50 °，入眼亮度可以超过 1000 尼特，一般用于头盔。

理湃光晶的二维扩瞳G3-E 系列包含G3E30、 G3E40 、 G3E50 等，可以与微显示屏做搭配。该系列目前 FOV 最高可以做到 60 °，现在70 °的二维扩瞳模组设计已经定型，样品正在迭代中。理湃光晶所有二维产品平均光效都可以做到大于 1500nits/lm，其中有些型号根据客户需求可以做到大于 2000nits/lm。

目前，已经有很多搭载理湃光晶光波导模组的整机产品生产、上市，广泛应用于 B端、C端，例如智能制造、医疗、文旅、消费等领域。

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