一文看懂:AR产业金钥匙——衍射光波导 本文首发于公众号“AR圈” 在华为发布的《5G时代十大应用场景白皮书》中,预计2025年AR的市场空间将超过VR,达... 

AR是什么?与VR有什么区别?为什么说AR的市场空间增长速度将远高于VR?AR眼镜有哪些核心部件?是什么制约了AR眼镜的规模商用?衍射光波导是什么黑科技?如何设计制造衍射光波导?衍射光波导领域的玩家有哪些?如何看待光波导玩家的现状与未来?今天,我们就来和大家用“白话”聊一聊这些话题。

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AR是什么?与VR有什么区别?

对于VR,生涩的定义咱们就不说了,直接上动图。

▲VR眼镜,来自Youtube▲

VR的名字(VirtualReality,虚拟现实)很贴切,带上VR眼镜之后,我们看到是一个完全的“假的”世界,是一个虚拟出来的世界。与此同时,也意味着,我们看不到现实世界了,“瞎了”。动图中的那个妹子被套在一个“围栏”里,就是为了避免这个“瞎子”摔个狗啃泥。

那么问题来了,带上了VR眼镜,我就“与世隔绝”了。能不能有种眼镜,在看到现实世界的同时,又能看到虚拟世界?嗯,这实际上就是AR眼镜被发明的缘由。来,看看下面的动图,了解一下AR眼镜。

▲AR眼镜,来自Youtube-TheU.S.Army▲

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相比VR,AR的发展速度更快

由前面我们对AR和VR的对比可以看出,相比VR,AR实现了人类更多的愿望:既能看到真实世界,又能看到虚拟世界。如果把VR比作“熊掌”的话,AR就是人们心目中的“鱼和熊掌”。

▲AR/VR产业发展预测图,来自IDC▲

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AR眼镜的结构与关键技术

如下图所示,从基础结构上说,无论是VR眼镜还是AR眼镜,都与手机的架构并无差异。主要由输入传感器、输出系统、电源、计算、存储和通信模块所构成。AR/VR与手机之间关键区别,在于光学输出系统(显示系统)。

▲AR/VR眼镜基础架构图,黑毛警长008整理▲

除了光学输出系统外,VR/AR所需要的其他硬件基本与手机类似,大部分均已较为成熟。当前制约VR/AR发展的硬件技术瓶颈,在于光学显示系统。

相比手机的显示系统,VR眼镜的显示系统需要实现高清晰度、高刷新率、高可视角度(FOV)、低功耗、低散热、低重量和小型化等一系列要求。

而AR眼镜则更进一步,不仅要达到VR眼镜的一系列要求,还需要能够将光学输出显示在透明镜片上。这一看似简单的“小目标”,却令AR眼镜的光学系统结构完全不同于VR眼镜,复杂度和成本大幅上升。虽然显示技术在最近几十年来快速发展,但是业界却一直难以拿出一个性能相对可靠,并有可能以低成本大规模量产的AR光学显示方案。直到2010年,诺基亚公司的TapaniLevola博士发明了用于近眼显示的衍射光波导技术,才让AR行业看到了曙光。随着AR产业的不断发展,衍射光波导已被业界誉为“AR产业的金钥匙”。

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衍射光波导和他的“先辈”们

虽然是“金钥匙”,但是在衍射光波导出现之前,还是有很多“先辈”的。它们主要有棱镜、自由曲面、全息反射薄膜,以及一个“近亲”几何光波导。不同的厂商,由于自身的“屁股”原因,对于哪个技术能“继承大统”自然有不同的“认知”。如果我们要从技术上去识别这些光学系统孰优孰劣,怕是100篇论文也说不清。那怎么就能知道这些技术谁能最终拔得头筹呢?咱们的“捷径”是看看业界大咖的实际选择,毕竟,不管嘴上怎么说,身体都是很诚实的。

至于说衍射光波导技术的各位“先辈”呢,其实大部分都还“健在”,但是随着“后浪”衍射光波导的快速发展,这些“前浪”怕是会陆续在“沙滩”上相会了。

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衍射光波导的技术原理和分类

所谓光波导,简单说就是让光在设计好的路径中传播。而衍射光波导,则是利用了光的衍射特性,来设计并实现“光路”。还记得曾经学过的物理学知识吗?衍射,需要小孔或者“栅栏”来实现。衍射光波导实现的技术方法之一,就是在光学平面上“刻”出一道道“栅栏”(术语为光栅),让光线按照设计好的路径传播。

在下图的左下角的方框处,俗称“光机”。光机负责把电信号转为光学影像,可以把光机简单的理解为一个投影仪。而光波导呢,则负责将来自“投影仪”影像最终传递到眼睛里。光波导,由光学镜片及镜片上的光栅构成。图中的光波导是一个比较经典的光波导结构,由三片光栅区域构成。左下角的第一片光栅是输入光栅,负责接收光信号,并将光传递到右下侧的“转折”光栅区。转折光栅区一方面对光线进行水平扩瞳(下文详述),另外再将光线传递到右上角的输出光栅。输出光栅对光线进行垂直扩瞳(下文详述),并最终将光线输出,投射到人眼中。

▲传统衍射光波导原理,图片来自Digilens▲

▲FOV示意图,来自giganti.co▲

而光波导技术中的“扩瞳”,就是将低FOV的输入变为高FOV的输出。由于扩瞳同时存在水平和垂直两个方向,因此传统的衍射光波导都需要两个光栅进行二维“扩瞳”,再加上输入光栅,那就需要3片光栅区了。

▲传统衍射光波导原理,图片来自Waveoptics▲

上面的动图是传统的衍射光波导,而下图的动图则是Waveoptics发明的新型光栅,将传统的3个光栅区变为2个,输出光栅区面积比传统方式大了很多。

▲新型衍射光波导原理,图片来自Waveoptics▲

说完衍射光波导的原理,我们再来看看光栅的两个子类:表面浮雕光栅和体全息光栅。

▲显微镜下的表面浮雕光栅(间隔为400纳米),来自toppan.co.jp▲

表面浮雕光栅(SurfaceReliefGrating),顾名思义,是“浮雕”出来的光栅结构,其制造工艺与制造芯片的工艺类似,叫做纳米压印(Namo-imprint),后面我们再详细讲。

▲体全息光栅,来自andor.com▲

而体全息光栅(VolumeHolographicGrating)则是一种通过全息曝光技术生成的光栅。需要强调的是,体全息光栅只是其生产工艺使用了全息曝光技术,光栅本身并不会产生全息图像。怎么理解体全息呢?可以把它理解为一个可以被曝光“显影”的涂层,这个涂层被激光曝光后可以形成折射率不同的条纹,也就是另外一种形态的光栅。而所谓体全息,是在一个涂层中进行多次全息曝光,从而在同一个“体积”中,保存有多重条纹。

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表面浮雕光栅衍射光波导的产业链

由于体全息光栅目前尚未形成完整的产业链,产业链部分本文仅讨论表面浮雕光栅。在说产业链之前,我们有必要先了解一下表面浮雕光栅的设计与生产流程。

▲表面浮雕光栅设计及制造流程,黑毛警长008整理▲

工艺流程分为三个阶段,分别是母版、步进母版和成品阶段。这个过程类似饼干工厂压制饼干的流程。

第一步是要设计并制造单个饼干模子(母板),第二步是用母板在一块大板上压出多个图样,形成一个大模子,第三步就是用大模子批量的压制成品。

虽然表面浮雕光栅的设计和制造产业链涉及到众多厂商,但是在母版和步进母版部分,并没有太多瓶颈,原因是这部分的原材料和制造设备与半导体产业同源,已经相当成熟。表面浮雕光栅的关键技术集中在光栅设计和高折射率原材料领域。

▲台风战斗机,图片来自BAE▲

▲BAE战斗机头盔使用了衍射光波导技术,图片来自BAE▲

而在纳米压印设备领域,基本上都被一家德国公司所垄断,那就是EV集团(EVG)。

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衍射光波导领域的国内厂商

从上面的产业链图表我们发现,产业链中的公司仅来自美、英、德、日这四个国家。中国公司难道集体缺席?

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总结

AR产业的巨大市场空间吸引了众多玩家相继投入其中,而衍射光波导这一新兴技术,被誉为打开“AR产业”的金钥匙,更成为国外巨头争相重金投入的关键领域。美、英、德、日四个国家在核心产业链早做布局,甚至在部分环节上形成了垄断的局面,而中国厂商却一度缺席衍射光波导朋友圈。

相信在歌尔和水晶的引领下,中国将会涌现出更多的企业,不仅在AR应用领域,更能在衍射光波导这一核心技术领域,为中国赢得一席之地。

悄悄问一句,谁认真看完了全文啊,你可以报个到,这种长文能撑到最后的人恐怕不多。另外,这个节,胖了没?

THE END
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15.2023年VR/AR出货量有望大增欧菲光持续布局把握发展新契机随着新消费场景不断拓展,为VR/AR产业发展创造了更多有利的市场环境。未来,欧菲光将借助高速增长的行业市场规模、良好的客户储备、先进的研发能力等核心优势,持续布局VR/AR等新业务,将新领域的收入占比明显提高,为公司发展打开新的想象空间。https://laoyaoba.com/n/859109
16.AR/VR行业发展现状工信部发布《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》,从核心技术、产品供给、行业应用、平台建设、标准构建等方面提出了发展虚拟现实产业的重点任务。主讲专家Kerwin Wang 百林哲咨询(北京)有限公司专家团队成员 某虚拟现实技术高科技公司创始人,2014年开始进入虚拟现实行业,目前和深圳技术大学、东华大学、深圳大学、华中http://www.bailinzhe.com/book/?id=1298
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18.AR/VR现状调查:市场利好沉浸式技术仍面临社会挑战界面新闻2016年对500名AR/VR专业人士的调查显示,近50%的公司正在使用自己的个人资金来发展他们的公司;不到8%的公司表示他们有“其他”渠道的资金,包括政府赞助。考虑到VR生产成本可能会高达数十万,具有前瞻性的决策者正在大力推动补贴政策以吸引来自世界各地的VR人才,在保护本国行业发展的同时大步前进。https://www.jiemian.com/article/1638965.html
19.一文看懂VRAR和MR几十年来,VR在游戏、影视、专业学习与训练、旅游、制造、军事等各个方面极大地影响了人类。近年来,随着HMD的普及和远程通信技术的发展,距离已经不成问题,在真实环境中融入虚拟现实获得了人们的青睐,从而诞生了增强现实(AR)。进一步,技术的发展使得真实环境和虚拟环境可以更好地融合,人类可以灵活地游走于虚、实环境,从https://www.eet-china.com/mp/a7402.html
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