不同AR光學(xué)方案對比分析

龍頭積極布局，看好光波導(dǎo)技術(shù)落地。

AR 光學(xué)方案：自由曲面與 BirdBath 普及度高，光波導(dǎo)將是新一代光學(xué)方 案。棱鏡方案：技術(shù)簡單且重量輕，但其視場角通常小于 20°，并且亮度不 足，出瞳范圍小。2012 年谷歌推出的 Google Glass 采用棱鏡方案，視場角僅 13°，并且畫面易產(chǎn)生畸變，消費(fèi)者體驗(yàn)較差；離軸反射：技術(shù)難度低且視 場角較大，但其體積較大且重量較高。2016 年發(fā)布的 Meta 2 采用該方案， 重量達(dá) 503 g；自由曲面：技術(shù)成熟且光損較小，但模組仍然較厚；BirdBath： 目前成熟度較高的量產(chǎn)方案，在 C 端 AR 產(chǎn)品中普及度較高，但其厚度較大 且透光率較低；光波導(dǎo)：該方案清晰度高、可視角度較大且重量更輕，未來 有望成為 AR 眼鏡光學(xué)方案主流。根據(jù)耦合器件可分為幾何光波導(dǎo)和衍射光 波導(dǎo)，其中幾何光波導(dǎo)以陣列光波導(dǎo)為主導(dǎo)，衍射光波導(dǎo)可細(xì)分為基于光刻 技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導(dǎo)和基于全息干涉技術(shù)制造的體全息光柵波導(dǎo)。 幾何光波導(dǎo)：采用傳統(tǒng)幾何光學(xué)設(shè)計(jì)理念，未涉及納米級結(jié)構(gòu)，成像效果較 表面浮雕光柵衍射光波導(dǎo)更優(yōu)，漏光率低于 5%且光損較低，但需要完成多 片光學(xué)玻璃切割銑磨、膠合、拋光，量產(chǎn)難度大，生產(chǎn)良率低；衍射光波導(dǎo)： 光柵設(shè)計(jì)和生產(chǎn)靈活性更高，量產(chǎn)能力及良率較幾何光波導(dǎo)更優(yōu)。

自由曲面：技術(shù)成熟，高模組厚度限制輕量化能力。基于具備一定反射/投 射值的自由曲面反射鏡，將顯示屏投射的圖像反射進(jìn)入人眼，外部環(huán)境的景 象通過半透半反曲面鏡進(jìn)入人眼，實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)世界疊加。相位補(bǔ)償 器用于矯正自由曲面棱鏡引起的視圖畸變。基于該技術(shù)的 Meta2 系列 AR 眼 鏡可實(shí)現(xiàn) 90°視場角，但其厚度超過 50 mm。伴隨自由曲面技術(shù)迭代，模組 厚度逐漸降低。基于最新耐德佳自由曲面鉆石 Pro 方案的高通驍龍 XR2 AR 智能眼鏡將模組厚度降低至 10.4 mm，透光率提升至 60%。2023 年發(fā)布的 小米無線 AR 眼鏡探索版、聯(lián)想晨星 G2 light、聯(lián)想 Legion Glasses 均采用 自由全面方案。

BirdBath：短期消費(fèi)級 AR 主流光學(xué)方案，性價(jià)比領(lǐng)先。顯示屏將圖像投射 至偏振分束器，然后投射至具備反射和投射值（R/T）的半透半反曲面鏡， 光線以 R 的百分比反射至人眼，其余部分以 T 值傳輸。同時(shí)環(huán)境光經(jīng)半透 半反曲面鏡進(jìn)入人眼中，使用戶可同時(shí)看到顯示屏輸出的虛擬數(shù)字信息和 現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)信息。該方案視場角較大且重量輕，可較好地平衡成本與顯 示效果，但光損較大且透過率低。目前 XREAL、雷鳥創(chuàng)新、Rokid 等國內(nèi) AR 龍頭均推出多款使用 BirdBath 方案的 AR 眼鏡，預(yù)計(jì)短期內(nèi) BridBath 仍 將是消費(fèi)級 AR 主流光學(xué)方案。

幾何陣列光波導(dǎo)：二維擴(kuò)瞳實(shí)現(xiàn)高 FOV+小光機(jī)體積，量產(chǎn)技術(shù)仍待突破。 一維擴(kuò)瞳：耦合光經(jīng)多次全反射后進(jìn)入半透半反鏡面陣列，每次鏡面反射均 會(huì)反射波導(dǎo)至人眼，出射光較為均勻且光束分批多次出射可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳技術(shù) 并增大動(dòng)眼眶范圍。一維擴(kuò)瞳陣列光波導(dǎo)可將 EyeBox 從 4mm 擴(kuò)大到 10mm+，并且光線調(diào)制均勻，成像質(zhì)量與對比度水平高，但其光機(jī)體積與 FOV 呈正相關(guān)，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高 FOV 與輕量化；二維擴(kuò)瞳：通過在 X、Y 軸方向?qū)饩€進(jìn)行多次擴(kuò)展，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直和水平雙向出瞳擴(kuò)展。該方案可有效增加出瞳距離和 eyebox 大小，并顯著減少耦入部分投影光機(jī)的體積， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯示色彩的高還原、高飽和呈現(xiàn)。根據(jù)艾瑞咨詢，陣列光波導(dǎo)制備 涉及鏡面鍍膜、貼合、切割等流程，陣列鏡面膜層可達(dá)數(shù)十層，膜層貼合時(shí) 平行度要求極高，難以實(shí)現(xiàn)高良率。并且采用二維擴(kuò)瞳將進(jìn)一步提升量產(chǎn)難 度，理論量產(chǎn)成本較一維擴(kuò)瞳高 4-5 倍。目前瓏璟光電、理湃光晶等廠商積 極發(fā)展分子鍵合技術(shù)，通過分子間范德華力使鏡片緊密平整地貼合，提升貼 合面平整度進(jìn)而提高貼合良率。

幾何陣列光波導(dǎo)：龍頭廠商積極推動(dòng)技術(shù)迭代，目前已應(yīng)用至少量 AR 眼 鏡。Lumus：2021 年首次推出采用二維陣列光波導(dǎo)技術(shù)的 Lumus Maximus 產(chǎn)品。在 CES 2023 中，推出第二代二維擴(kuò)瞳光波導(dǎo)技術(shù) Lumus Z-Lens，其 可實(shí)現(xiàn)分辨率 2Kx2K，亮度 3000 尼特/瓦、50°FOV 并支持體積更小的光學(xué) 引擎(約縮小 50%)。基于 Z-Lens 開發(fā)的 AR 眼鏡外觀與普通眼鏡基本接近， 用戶在白天強(qiáng)光下也可正常使用；水晶光電：2016 年參與 Lumus B 輪融資， 與 Lumus、肖特共同推動(dòng)二維陣列光波導(dǎo)量產(chǎn)落地；瓏璟光電：2021 年完 成二維擴(kuò)瞳產(chǎn)品研發(fā)，成功將模組體積和重量縮小近 3 倍。2022 年多個(gè)二 維陣列光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，對 FOV 40°、60°的光波導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行迭代優(yōu)化。并 且實(shí)現(xiàn)分光斜面全光膠貼合；耐德佳：40°FOV 小型化光機(jī)可達(dá)到 1.3cc，二 維陣列光波導(dǎo) 3.0 實(shí)現(xiàn)全彩顯示，色差和畸變控制較好，入眼亮度可達(dá) 1000nits 以上；理湃光晶：2022 年 9 月二維擴(kuò)瞳陣列光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并建 成幾何光波導(dǎo)模組生產(chǎn)基地，一期規(guī)劃年產(chǎn)能達(dá) 10 萬套。自主開發(fā)針對光 學(xué)玻璃的分子鍵合工藝；靈犀微光：首創(chuàng)基于陣列光波導(dǎo)的二維擴(kuò)瞳技術(shù) AR 光學(xué)模組，普遍透光度可以達(dá)到 82%以上，實(shí)現(xiàn) 60°視場角。并在江蘇 無錫、浙江杭州建立生產(chǎn)制造中心，陣列光波導(dǎo)模組已突破 85%良率，具備 年產(chǎn) 10 萬片量產(chǎn)產(chǎn)能。2023 年發(fā)布的 INMO Air 2、QIDI ONE 與谷東科技 C2000 已采用陣列光波導(dǎo)光學(xué)方案。伴隨制備技術(shù)持續(xù)迭代，幾何陣列光波 導(dǎo)有望突破量產(chǎn)瓶頸，帶動(dòng)市場滲透率提升。

表面浮雕衍射光波導(dǎo)：基于轉(zhuǎn)折光柵與二維光柵實(shí)現(xiàn)二維擴(kuò)瞳。表面浮雕衍 射光波導(dǎo)采用表面浮雕光柵（SRG）替代傳統(tǒng)折反射光學(xué)元件，作為光波導(dǎo) 模組中的耦合器對光束進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)表面浮雕光柵凹槽的輪廓、形狀等可 分為一維光柵與二維光柵。在一維轉(zhuǎn)折光柵中，光線經(jīng)入射光柵進(jìn)入轉(zhuǎn)折光 柵，在實(shí)現(xiàn)水平擴(kuò)瞳同時(shí)將光束反射至出射光柵，并完成垂直擴(kuò)瞳與耦出。 該技術(shù)主要由微軟和 Vuzix 持有。與一維光柵相比，二維光柵可進(jìn)一步提升 衍射效率并擴(kuò)大出瞳范圍。以 WaveOptics 設(shè)計(jì)的二維光柵為例，光束經(jīng)入 射光柵進(jìn)入波導(dǎo)片后，通過二維光柵進(jìn)行多方向擴(kuò)束以及光束耦出。

表面浮雕衍射光波導(dǎo)：紫外納米壓印光刻是主要量產(chǎn)工藝，未來持續(xù)優(yōu)化。 該工藝主要包括納米壓印模具制備階段和批量生產(chǎn)階段。納米壓印模具制備 階段：首先通過母版加工、旋涂轉(zhuǎn)印膠、壓印、紫外曝光等步驟完成模板制 備。然后將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的玻璃基底上，通過旋涂光刻膠、壓印、曝光等 完成模具制備。批量生產(chǎn)階段：使用多圖案模具生產(chǎn)表面浮雕光柵波導(dǎo)，然 后使用功能性涂層覆蓋波導(dǎo)，并用激光切割技術(shù)進(jìn)行分離，最后將不同結(jié)構(gòu) 的波導(dǎo)堆疊完成光學(xué)模組制備。未來將針對納米壓印過程進(jìn)行優(yōu)化：（1）殘 膠控制：壓印過程中通常會(huì)殘留部分殘膠，影響最終光學(xué)性能。2023 年 Digilens 發(fā)布 SRG+工藝實(shí)現(xiàn)無殘膠層的 SRG 結(jié)構(gòu)；（2）納米壓印設(shè)備：提 升對準(zhǔn)精度與壓印效率。

表面浮雕衍射光波導(dǎo)：多層光波導(dǎo)弱化彩虹效應(yīng)，全彩單層光波導(dǎo)是未來發(fā) 展方向。衍射過程中對于角度和波長的選擇性導(dǎo)致 FOV 和動(dòng)眼框內(nèi)的顏色 并不均勻，因此產(chǎn)生彩虹效應(yīng)。目前主流方案是將紅綠藍(lán)三色分別耦合到三 層波導(dǎo)，每一層衍射光柵只針對一個(gè)顏色進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而改善出瞳位置的顏 色均勻性。單色顯示的 SRG 單層波導(dǎo)方案由于技術(shù)與量產(chǎn)難度較低，目前 應(yīng)用較多。全彩顯示更多采用兩層波導(dǎo)方案，基于單層波導(dǎo)的全彩顯示仍是 未來光學(xué)廠商技術(shù)布局方向。

體全息光柵波導(dǎo)：理論衍射效率達(dá) 100%，成像質(zhì)量高。其采用體全息光柵 作為衍射光波導(dǎo)中的耦入耦出元件。通過雙光束全息曝光技術(shù)在介質(zhì)中形成 干涉條紋，獲得折射率周期性變化的光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)《增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)近眼顯示設(shè) 備中光波導(dǎo)元件的研究進(jìn)展》，在理論滿足布拉格條件的情況下，體全息光 柵的衍射效率可以達(dá)到 100%。并且由于體全息本身的角度選擇性和波長選擇性，不存在漏光問題，可通過光機(jī)和光柵設(shè)計(jì)優(yōu)化大幅減弱彩虹效應(yīng)。

體全息光柵波導(dǎo)：工藝與材料要求高，國內(nèi)廠商通過合作或自研積極布局。 索尼卷對卷工藝：首先通過雙束干涉曝光法在附著于卷膠上的光敏聚合物膜 內(nèi)形成體全息圖案，然后通過注射成型法形成高質(zhì)量的環(huán)烯烴聚合物塑料波 導(dǎo)，最后通過全息光學(xué)元件轉(zhuǎn)移和塑料全息波導(dǎo)切割、配色、封裝固定完成 制備。其對波導(dǎo)的翹曲和厚度變化要求嚴(yán)格；DigiLens 體全息光柵波導(dǎo)印刷 工藝：主要包括母版制作與波導(dǎo)印刷，以光聚合物和液晶為主要成分的超高 折射率全息光聚合物是該工藝核心。目前 Digilens 在體全息光柵波導(dǎo)領(lǐng)域占 據(jù)優(yōu)勢，并于 2023 年率先推出全息全彩 AR 眼鏡 ARGO。Akonia 擁有豐富 的體全息系統(tǒng)和材料專利，其在 2018 年被蘋果收購。水晶光電作為 Digilens 在國內(nèi)的獨(dú)家授權(quán)生產(chǎn)商，2024 年 5 月宣布完成波導(dǎo)產(chǎn)線升級。谷東科技 擁有單綠色/全彩二維擴(kuò)瞳體全息波導(dǎo)產(chǎn)品，并自研高折樹脂、光敏聚合物 等材料。