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。

01

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▲

02

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▲

03

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”。

04

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。

05

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。

06

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)。

07

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?

08

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
1.上天入地!40余个VR大空间沉浸式全新产品集体狂飙→空间计算案例7月23日,由中共一大纪念馆匠心打造,携手上海东方网文化产业发展有限公司与上海歌星俱乐部有限公司共同呈现的全国首创 LBE VR 红色文化沉浸式体验盛宴——“数字一大·初心之旅”正式向大众开放。 此项目不仅是国内首屈一指的LBE VR红色https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2NTcxMTk5MQ==&mid=2247488956&idx=1&sn=bdc0cebfe67a15eda36f3931bc3846a9&chksm=ea986da4ddefe4b234162f1e941e4dfbd0515ec1f7ebb83d93ea496d1b0358a20fa9d7ec570c&scene=27
2.专题策划二VR/AR产业链拆解:谁将站上风口?(附投资图谱)手机链望率先受益 作为当前最重要的终端入口,手机经过多年的技术积累和市场培育,已经形成一套完整、成熟的产业链条。而对于VR/AR产业的突破与发展,有受访的业内人士即表示,由手机厂商推动,或许是快速培育VR/AR市场的有效途径。 反观国内,无论是在上游元件、模组和组装代工环节,还是在下游整机环节,产业链均相对成熟https://m.cls.cn/detail/757098
3.2024年中国VR/AR产业链图谱研究分析(附产业链全景图)VR/AR是综合计算机图形技术、传感器技术、多媒体技术、立体显示技术等多种技术发展而来,目前所涉及的研发及应用领域包括教育、娱乐、医学、科研、军事、影视和制造业等。VR/AR产业链包括硬件、软件、内容和应用四部分。其中,硬件包括芯片、光学器件、显示屏、传感器等核心器件和终端设备、感知交互设备、配套外设等。 https://wap.seccw.com/index.php/Index/detail/id/29303.html
4.艾瑞产业链中国VR行业产业链解析移动互联网艾瑞产业链 | 中国VR行业产业链解析 推波助澜:硬件、软件迭代加速,推动应用生态蓄势待发 VR产业具备相对完整与庞大的产业链条,主要由硬件、软件、内容服务及应用领域四部分构成。光学、显示与交互是VR硬件架构的核心构成。目前VR硬件条件基本支持VR游戏在设备上的流畅运行,但随着眼球追踪、手势追踪等交互技术的出现与https://news.iresearch.cn/content/202403/494894.shtml
5.2024年中国VR/AR产业链图谱研究分析(附产业链全景图)2024年中国VR/AR产业链图谱研究分析(附产业链全景图) 4.行业投融资情况 受到经济环境影响,加之元宇宙降温,2023年中国VR/AR行业投融资热度下降。IT桔子数据显示,2023年中国VR/AR领域共发生83起投融资事件,同比下降24.55%;投融资总额90.36亿元,同比下降62.73%。2024年1-3月,VR/AR行业共发生投融资事件数量16件,投https://www.askci.com/news/chanye/20240415/093701271314502108247240_5.shtml
6.VR/AR完整产业链什么面貌?看这张图数据看趋势VR/AR产业已经初步形成了完整的产业链。 趋势 AR/VR 产业发展越来越深入,已经逐渐开始形成自己的生态系统。除了最基本的硬件研发和内容生产,在开发工具、引擎、教育、零售、医疗等产业链的不同环节和不同领域,都有VR/AR初创企业获得了投资。 数据 CB Insights 绘制了AR / VR产业的创业公司堆栈地图,以全新的方式对https://36kr.com/coop/yidian/post/5066416.html
7.20242030年中国5G+VR/AR产业前景预测与市场调查研究报告第一节 VR/AR产业链结构分析 64 一、VR/AR产业链结构分析 64 二、主要环节的增值空间 64 三、与上下游产业的关联性 65 第二节 VR/AR产业链核心器件厂商分布分析 66 一、芯片厂商分布 66 二、传感器厂商分布 66 三、显示器厂商分布 67 四、光学器件厂商分布 68 五、通信模块厂商分布 71 第三节 VR/AR产https://maimai.cn/article/detail?fid=1829782125&efid=W1F5gpjXJFALUYIT7zU53w
8.AR/VR产业链全线爆发,蓝思科技等消费电子核心供应商或受益市场普遍认为,苹果VR/AR设备将有望引领VR/AR行业的发展,并推动VR/AR领域进入到新一轮的增长周期,产业链迎来机会。 在VR/AR领域,A股上市公司早有布局。日前蓝思科技拟将“长沙(二)园智能穿戴和触控功能面板建设项目”投资总额由原来的15.15亿元增加至54.06亿元,该项目预计2024年底全部建成达产,将实现年产智能穿戴设备https://news.hexun.com/2022-06-01/206063173.html
9.VR/AR产业合肥市高度重视VR/AR产业发展,发布《2018-2023年合肥市虚拟现实产业链全景监测及市场发展趋势调查报告》,全面分析了合肥市虚拟现实产业链市场竞争现状、需求状况及增长态势、市场运营状况、市场投资机会和潜力。目前,合肥VR小镇的产业资源开发已进入高效匹配对接轨道,将为合肥经济发展和中国VR产业发展作出积极贡献。 https://tzcjj.hefei.gov.cn/tzzy/zdcy/zdcy/VRARcy/index.html
10.“元宇宙”概念火爆出圈相关产业链现状如何?“元宇宙”概念火爆出圈 相关产业链现状如何? 备受资本追逐的元宇宙概念,已经让许多相关或不相关的公司获得了意料之外的投资,资金疯狂的涌入游戏、AR、VR等相关行业,大有元宇宙明天就能够建成并且被全世界用户所接受的态势。 元宇宙突然爆发 一个风口突然爆发,那就是元宇宙。那么,什么是元宇宙,为什么会突然爆发,前景究竟https://www.cdstm.cn/theme/khsj/khzx/khqx/202108/t20210831_1054838.html
11.AR/VR产业链材料大全(附国内外20家材料供应商)目前帝斯曼的业务主要分五个部分:营养、制药、性能材料、聚合物中间体、基础化学及材料。DSM在VR领域主要可供应PA4T等相关材料,用于壳体卡扣等部位。 赢创 赢创的GAMID? 透明聚酰胺可用于AR/VR光学镜片,具备透明度高、适用于各种颜色,出色的光学性能,而且具有极高的透光度和紫外线防护等级;VESTAMID? Care和TROGAMhttp://m.xincailiao.com/news/app_detail.aspx?id=617040
12.歌尔股份在VR/AR布局超越你的想象高通公司(qcom.us)社区VR/AR产业链 目前,VR/AR产业链已经初步形成,随着5G带动的VR/AR市场的快速发展,相关产业链有望充分受益。其中,VR产业链上游的硬件部分主要包括光学镜头、显示面板、芯片(主控芯片及传感器)等,软件部分包括系统平台(操作系统、API及APP)、信息处理工具(3D建模及图像渲染);中游的硬件部分包括显示模组和整机制造等,软件https://guba.sina.com.cn/?bid=20654&s=thread&tid=3883
13.2024年全球与中国VR/AR市场调查研究与发展前景预测报告VR/AR行业研究报告首先介绍了VR/AR的背景情况,包括VR/AR的定义、分类、应用、产业链结构、产业概述、VR/AR行业国家政策及规划分析、最新动态分析等。 关于VR/AR全球市场,具体包括全球及中国、美国、欧洲、亚洲(除全球及中国)等,VR/AR行业分析报告的研究涵盖了产品分类、产品应用、发展趋势、产品技术、竞争格局等,还https://www.cir.cn/3/36/VRARShiChangXuQiuFenXiYuFaZhanQu.html
14.全球AR眼镜行业现状与竞争格局分析,5G技术引领AR智能穿戴设备蓬勃据统计,2021年全球AR眼镜市场出货量在57万台左右,随着VR/AR多场景应用落地,产业发展目标聚焦应用和推广,2023年出货量有望超过百万台。 HUAON PART FOUR AR眼镜行业产业链 1、产业链示意图 AR眼镜是一种增强现实技术眼镜,可以将虚拟图像叠加在现实场景中,使用户可以看到虚拟现实与现实世界的混合。AR眼镜产业链上游主https://www.360doc.cn/mip/1121773388.html
15.打造中国Daydream生态,深圳VR产业链能否助一臂之力?同时,中国首个VR/AR/MR人才培训基地--“3R学院”启动仪式正式开始,此次“3R学院”启动仪式是为了将VR/AR/MR行业推向另一个高潮,以人才培训形式来为我们虚拟现实行业发展,培养更多更好的人才。 VR,AR的市场数据 环球资源移动电子总经理高嘉显对VR,AR市场发展作出分析。随着一线品牌投入VR,深圳产业链的启动,VR产https://www.esmchina.com/news/201611301149.html
16.“好玩又有趣”的新兴产业来了!昆明抢抓VR/AR风口5G时代的到来,有望进一步打开VR/AR的C端市场,并带动B端市场例如教育、医疗、旅游、购物、房地产、工程等场景的发展,从而彻底打开行业天花板。目前,VR/AR产业链主要包含终端、核心器件(芯片、传感器、显示屏、光学器件、摄像头)和配套外设(手柄和体感设备等)。 https://m.yunnan.cn/system/2020/09/21/030986541.shtml?ivk_sa=1023197a
17.中金ARVR系列:展望虚实交互时代硬件形态同时,AR/VR/MR将完全取代手机、电脑成为新的硬件入口,同时向云智能设备方向发展。此外,基础设施均基本实现成熟产业化应用:1)5G基本实现全面覆盖;2)云网边一体化布局完成,云游戏实现成熟应用;3)AI初步实现独立内容生产;4)区块链数字生态成熟,虚拟平台经济系统建立。https://www.hxsd.com/information/5391/
18.艾媒咨询2024数据显示,中国现存VR/AR相关企业达2.82万家。近年来,相关企业注册量呈整体增长趋势,注册量从2014年的567家增至2023年的6047家。其中,2022年注册量达6078家,为近年来注册量峰值。 中国虚拟现实行业产业链下游发展情况:Steam新增游戏/应用数量 数据显示,VR游戏数量呈逐年增长,近8年来几乎每年新增600+VR游戏,但相较https://www.iimedia.cn/102439.html
19.VR/AR新品潮将至:代工厂订单大增“破圈”希望来了?湘财证券也指出,2022年是VR从菲涅尔透镜向Pancake短焦光学过渡的重要里程碑。后者可显著减薄VR头显厚度,让VR头显变得更薄更轻,同时支持屈光度调节。分析师预计,短焦光学有望成为VR产业未来5年的主流光学方案。 据《科创板日报》不完全梳理,VR/AR产业链厂商有: 恭喜解锁12个月手机L2专属领取资格,立即领取>>https://finance.eastmoney.com/a/202208112477713059.html
20.康泰达科技:从AR/VRAA光机模组及整机测试和组装的完整解决方案2024年由艾邦主办的第五届AR/VR产业链高峰论坛将于6月14日在深圳·观澜格兰云天国际酒店举办!届时,昆山康泰达电子科技有限公司将出席本次论坛并进行产品展示,诚挚邀请各位业界朋友莅临参观。 公司简介 昆山康泰达电子科技有限公司 昆山康泰达电子科技有限公司成立于2019年4月。公司坐落于江苏省昆山市张浦镇德国工业园,是一https://www.abvr360.com/a/23704
21.20210521中信建投随着VR/AR技术的持续发展,行业进入产业化发展的快车道,VR出货量出现加速增长,应用生态逐渐完善,形成正向循环。VR与AR硬件产品体验得到显著提升,推动整个产业链迎来爆发性增长。以下是详细的知识点: VR硬件成本结构分析:VR硬件成本中,处理器、存储、光学显示器件占据超过80%的比例,这表明这些环节是VR产业链的核心。光学https://download.csdn.net/download/qq_38412739/18945276
22.5G+疫情双因素刺激行业回暖,2021年AR/VR再成投资热点据至美研究院数据显示,2020年中国AR/VR行业总融资额约15.6亿元,其中AR领域总融资额约为11.2亿元,是资本最青睐的投资领域;VR领域总融资额约3.7亿元,明显低于AR赛道。对比来看,VR领域产业链相对更成熟,产品形态和产业生态成熟度快于AR;AR被认为是下一代通用计算平台,其应用场景更为广阔,市场巨大,赛道处于更早期阶段https://n.eastday.com/mnews/1611743519022803