机械-华泰机械：AR光学部件产业链有哪些关注点,(微信)

华泰|机械：AR光学部件产业链有哪些关注点？倪正洋华泰睿思2024-04-1207:15江苏学方案中，光波导为当前主流，表面浮雕光栅衍射光波导依靠微纳转移的应用及光学透镜合成设计实现全彩显示的商业化进展。核心观点AR与VR/MR本质区别在于透视方案不同，AR采取光学透视（OSTVR透视方案则为视频透视（VSTOST在亮度、分过VR。且相比VR而言，A有望凭借价格优势+内容及体感提升+巨头不断入局推动成为头显设备终局。学方案主要包括棱镜方案、Birdbath、自由曲面、全息投影、光波导可实现二维扩瞳，表面浮雕光栅衍射光波导依靠微纳制造，我们续关注纳米压印设备在对准精度，效率等方面的提升。AR显示方案中MicroLED适配光波导，关注巨量转移/全彩显示工艺进展波导搭配，但体积和功耗较大；MicroOLED体积小功耗低，但其亮度较低，常与光学方案中的Birdbath、自由曲面方案搭配，无法与光波导方案适配。MicroLED具有低功耗、亮度高等优势适配光波导方案，有望成为AR眼镜微显示器件最优选择。MicroLED当前需克服巨量转移和全彩显示两大难题，后续关注激光转移技术彩化技术领先。印设备；MicroLED及巨量转移技术。对应公司名单请见研报原文。正文AR使用OST叠加虚拟与现实，有望成为头显终局过计算机仿真系统将用户带入生成的虚拟世界中，为用户提供多信等数据叠加在现实世界上，实现虚拟与现实的结合，对用户的切实为代表的专用设备已在医疗、重工业和物流等行业发挥重要价值，后续有望进入更多消费场景。AR与VR/MR本质区别在于透视方案不同，AR采取光学透视面，与计算机生成的虚拟画面结合后呈现在不透明的显示器上。相看见外部世界，其在亮度、分辨率、延迟、焦场等方面更具有优势，的光路设计复杂、量产难度高、光学零部件造价较高等原因。创公司GarySharpInnovations以为AR和VR开发更好的视觉功能眼镜NrealX与主打轻巧时尚的NrealAir。2022年3月，为双目式、单目式、插入式、隐形眼镜式、静态全息显示器和车载雷鸟创新表现突出，雷鸟X2搭载MicroLED+衍射光波导全彩双导航与拟真陪伴的功能，并首发合作微信小程序生态。仍较低。中国市场方面，根据IDC数据，2023年中国VR/AR出售价高但销量低，但随着技术运用逐渐成熟，价格相对较低的消费市场。3）科技巨头不断布局，根据苹果专利，苹果设计了大量贴头入局有望快速提升由光波导技术、轻量光机引擎技术、以及微显AR核心为光学方案+微显示屏，光波导+MicroLED有望为主流Birdbath、自由曲面，全息投影，光波导方案；微显示屏主流包括LCD、LCOS、DLP、MicroOLED，MicroLED等。目前光波导良率等仍有待进步。心工艺通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。不同之处在于，AR眼镜需要透视(see-through)，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方，需要多加一个或一组光学组合器(opticalcombiner)，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充“增强”。光学方方案、Birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和光波导方案。衡量方案优劣的指标主要包括产品厚度与重量、透光率、的大小决定了光学仪器的视野范围。棱镜方案作为初始尝试技术成熟且成本低廉，但视场角、图像呈现效果、重量等无法达到要求。棱镜方案的光学显示系统主要由微型投影仪和反射棱镜组成，微型投影仪负责将图像投影出来，通过棱镜将图像直接反映到人眼的视网膜中，与现实画面叠加后即可形成虚实结合的效果。虽然该方案技术成熟且量产成本低，但是为了保证显示内容足够清晰，该方案通常采用包裹式，导致产品较厚，视场角小。棱镜方案以最早的GoogleGlass为代表，由于系统处于人眼右上方，人必须将眼睛聚焦在右上方才可看到图像信息，且该系统存在视场角和体积之间的天然矛盾。GoogleGlass的视场角只题被公司撤回。Birdbath方案原理为将来自显示源的光线投射至45度的分光镜看到现实世界的物理对象以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线会弹射到通常为凹面镜的合成器上，由此重新导向眼睛。Birdbath方案的优势为结构简单、视场角较大、光效好，且量产技术已经成熟，但是却比普通眼镜更加厚重，透过率低，也出RokidAir产品时被采用，眼镜重量仅83克，视场角达43度，相比于棱镜方案有明显改善。自由曲面方案成像质量高，产品高度和重量需要优化。自由曲面是一种有别于球面或者非球面的复杂非常规面形，即用来描述镜头表面面形的数学表达式相对比较复杂，往往不具有旋转对称性。该方案原理为光线由显示器发出直接射至合成器（即凹面镜）内，并且反射回用户眼内。显示源的理想位置居中并与镜面平行。采用自由具优势，但是依然面临产品厚重、图像畸变的问题。在国内，自由曲面方案已经得到广泛应用，其代表公司为耐德佳。耐德佳在其消费级AR眼镜ARknovvA1中推出并采用了自光学解决方案，在压缩光机体积的同时扩大了镜片的面积，使得用率，使用该方案的AR眼镜相比采用Birdbath的产品来说功耗更低。全息透镜方案降低加工难度，但成像效果不理想。全息透镜方案利直透镜将显示源射出的光束准直为平面波，并衍射进基底以进行全内反射传输，同时线光栅将光束衍射输出进入人眼。这种方式降低范围小，而且有复杂的相差与严重的色散，全息透镜的成像效果并不理想。North曾推出了一款AR眼镜产品NorthFocals，外形除镜腿比普通眼镜粗以外，其他部位与普通眼镜十分相近。从产品功能来看，NorthFocals提供了一块像素为300*300的15度可视光机内的微型显示器发出的光线通过透镜组被耦合器件耦入光波导镜片中，在波导内以全反射的形式向前传播，到达出耦合器件时被耦合出光波导后进入人眼成像。由于使用波导折叠了光路，使得产品整体体积较小，符合轻量化的发展趋势，加上光波导方案相比其他光学方案在成像清晰度、可视角度等方面均具有优势，光波导可分为几何波导方案和衍射光波导方案两种。近年主流的日常消费导这两种光学方案。几何波导方案包括锯齿结构波导和偏振阵列光波导，仍使用传统光提出并一直致力于优化迭代，其基本原理为耦入区域用于将微投影光机的光束耦入到波导片中，使得光束满足在波导片中全反射传播 反射耦出到人眼。传统光学成像系统中，图像通常只有一个“出口”，镜面阵列相当于将出瞳沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时都能看到图像。几何光波导图像质量可达到较高水准，但制作工艺流程繁杂良率较低。几何光波导运用传统几何光学设计理念和制造流程，并未涉及准，但制造工艺流程比较繁冗。主要体现在“半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中逐渐损耗，阵列中多个镜面都需并且由于几何波导传播的光通常是偏振的，导致每个镜面的镀膜层数可能达到几十层。另外，这些镜面在镀膜后需层叠在一起并用特殊的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。因此，即使每一步工艺良率尚可，数十步结合起来的总良率仍不理想。常见瑕疵包括背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。衍射光波导通过光栅调整，可以实现二维扩瞳。衍射光波导设计不依赖于几何光学，而利用光的衍射效应，主要采用光栅结构实现对效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播，起到与传统光学器件类似的改变光线传播方向的作用，但其所有的操作都在平面上通过微纳米结构实现的，节省空间且自由度较传统光学器件大。衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件，该周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷，也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”，本质是在材料中引起折射率的周期性变化，因此衍射光波导方案主要可以分为表面浮雕光栅波导方案和体全息光栅波导方案。虽然光栅结构的设计过程较为复杂，但提供了较大的设计自由度，通过计算优化光栅结构参数后的衍射光表面浮栅光波导为当前最主流方案。浮雕光栅波导方案使用浮雕光入、耦出和出瞳扩展器件。表面浮雕光栅指的是在表面产生的周期性变化结构，即在表面形成的各种具有周期性的凹槽。根据凹槽的轮廓、形状和倾角等结构参数的不同，常用的表面浮雕光栅可以分为一维光栅与二维光栅。一维光栅根据剖面形状划分为矩形光栅、梯形光栅、闪耀光栅和倾斜光栅等，二维光栅常用的结构有六边形分布的柱状光栅。浮雕光栅波导方案具有大视场和大眼动范围的优势，但是也会带来视场均匀性和色彩均匀性的挑战。表面浮雕光栅二代、MagicLeapOne、RokidVisionAR眼镜等多家明星产品证明了衍射光波导的可量产性。体全息光栅波导方案采用体全息光栅作为波导的耦入和耦出器件，通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而可以获得折射率周期性变化的光栅结构。体全息光栅是一种具有周期结构的光学元件，它一般通过双光束全息曝光的方式，直接在微米级厚度感光聚合物薄膜内干涉引起了其折射率周期性变化，从而形成纳米级的光栅结构，可以对入射光发生衍射作用，在色彩均匀性（无彩虹干涉曝光。通过使用激光激发的干涉图案附着在基底上的光敏折射材料，材料特性随着光强度分布的不同而变化，最后获得折射率周光效率、清晰度等方面都还未达到与表面浮雕光栅同等的水平。纳米压印决定波导性能浮雕光栅衍射光波导的研制流程主要分为三大环节：光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产。浮雕光栅衍射光波导制备通过传统半导体的微纳米加工工艺，在硅基底上通过电子束曝光和离子刻蚀制成光栅的压印模具，再利用模具通过纳米压印技术压印出成千上万先需要设计出饼干上的图样（光栅设计然后要根据设计精准制作出饼干模具（光栅母版加工最后使用模具批量“压制”出饼干（纳米压印生产）。在真正的衍射光波导的生产中，“模具”和“压制”必须具有极复杂的结构和极高的精度。制造衍射光波导所需要精度和速度都可靠的电子束曝光和纳米压印的仪器价格较高，并且需要放置在专业的超净间中，生产条件较为苛刻。光栅母版加工包括匀胶，光刻，刻蚀，清洗为四大工艺。光栅母版加工使用光刻的方法，先将基板清洗烘干，然后再将光刻胶均匀涂布到基板上去。在基板上涂一层光刻胶之后，通常会再借助有图案结构的掩模板去进行曝光，然后再将基板泡到显影液中，溶解被光照到的地方，在光刻胶上做出想要的结构。光刻之后再进行刻蚀，将光刻胶的结构转移到坚硬的基板上，将其作为母版去压印，提升母版寿命。最后清洗完成母版制作。制作难点：1）光栅周期均匀性：目前行业普遍采用的是电子束光刻，每根周期性线条需用电子束写，线条与线条之间的距离会出现偏差。因此较难确保光栅周期均匀性；2）加工制作精度：光栅周期均匀性的误差是指宏观上的两根线条之间的距离存在偏差，而加工制作精度的误差则是指这根线条本身的宽度或高度上的误差；3）倾斜结构的加工：通常光栅都是直上直下的垂直结构，但随着技术发展，这种结构的光栅已经渐渐无法满足性能需求。于是出现了像三角形、平行四边形这样的倾斜结构光栅。垂直结构的光栅制作相对容易，而想要制作倾斜结构的光栅则极具挑战性。4）表面粗糙度：光栅母版表面粗糙度越大，其破损几率就越大，母版的使用寿命也就越短。首先需要准备玻璃晶圆并进行清洗，其次采用旋涂工艺将纳米压印胶均匀涂布在晶圆表面，然后通过纳米压印工艺将模具上的光栅结构转移到晶圆上的压印胶里。之后需要将大的晶圆切割成一片一片成一体，最后对镜片的外轮廓进行封边，完成衍射光波导的生产。纳米压印是纳米压印生产整体流程中最为核心，也是难度最高的环直接用做生产。因此，必须将光栅母版的结构一比一转印到不易损要先制作出光栅母版，然后对母版进行清洗和表面抗粘处理。最后，使用柔性基材进行软膜压印、固化、脱膜。通过以上操作，便可复制出多个子版。经过晶圆清洗、旋涂匀胶、纳米压印、固化、脱模等流程，便可将子版上的结构转印到晶圆上面，完成批量生产。印机核心厂商包括EVGroup、SUSSMicroTec、Canon等，前三造领域，国外NIL设备企业如奥地MicroTec、丹麦NILTechnology(NILT)占据主要份额，国内企AR显示方案中MicroLED适配光波导工艺难点目前主流的AR显示方案主要包括LCD、LCOS、DLP、MicroOLED、MicroLED方案，显示屏追求轻量小体积、高亮度、题。MicroOLED体积小功耗低，但由于亮度低常与光学方案中的Birdbath、自由曲面方案搭配，无法与光波导方案适配。MicroLED显示器件的最优选择。为LiquidCrystalDisplay，目前市场中大多使用薄膜电晶体液晶玻璃基板是彩色滤光片，下层玻璃则镶嵌着电晶体。当电流通过电晶体时会产生电场变化，使得液晶分子原本的旋转排列发生扭转，上，进而产生不同的颜色。该技术已经较为成熟，且具有色域广、度较厚，功耗较高，且具有光利用率和对比度低的短板。比高，但其需要照明单元导致模组体积大、存在背光、功耗高、低MagicLeap1AR眼镜包含6个LCoS显示屏，微软的HoloLens1DLP全称DigitalLightProcession，是美国德州仪器公司以数字的反射表面。每个微镜片代表一个单独的像素。来自光源的光线被路径上来开启该像素或使光线离开镜头路径来关闭该像素。为了定有优良的商品化条件，其在分辨率、对比度、亮度、灰阶、色保真度及响应时间等主要性能参数上都达到较高水平，但是具有设计复足光波导需求，但其主要问题在于体积，功耗方面没有优势，无法MicroOLED全称为有机发光二极管，与常规LCD和OLED屏采用的玻璃基板的区别在于，MicroOLED的基与功耗等方便的表现。MicroOLED的优点延展性好，但其量产难度较高、成本高、亮度低、有机材料的使用寿命较短（数千小时）、烧屏现象。以VisionPro为代表的VR设备带动硅基OLED发展，关注索尼/京东方/视涯科技等厂商扩产及降本情况。苹果VisionPro内屏搭载两块索尼独家供应的1.42英寸MicroOLED显示屏。据苹果官方的数据，VisionPro搭载的Micro-OLED显示屏拥有2300万像产业快速发展，目前能够量产全彩MicroOLED且在XR硬件领域较活跃的有索尼、京东方和视涯等厂商。MicroOLED当前生产良率仍较低造成售价较高，后续降本节奏将决定其应用普及率。目前AR眼镜中使用了MicroOLED显示技术的有INMOAir2、雷鸟Air2、RokidMax、XrealAir2等，VR头显设备中除AppleVisionMicroOLED亮度较低，因此更适配于Birdbath方案，无法大规组对眼前看到的画面产生影响，如果外界的光线过亮，使用者眼前基于MicroOLED和光波导显示的画面入眼亮度没有当前环境的现的色彩非常暗淡，甚至无法显示画面。而对于镀膜并加遮光片的墨镜形态的Birdbath娱乐观影眼镜来说，往往在室内暗光环境下的使用场景。根据北京极客伙伴科技有限公司官方公众号数据，衍射表面浮雕光二维扩瞳阵列光波导光能利用率一般在5%左右。MicroOLED亮限于在室内使用。高性能MicroLED符合AR发展趋势，全彩显示/巨量转移工艺为关键高清显示效果。MicroLED全称MicroLightEmittingDiode，达到主流LED的1%。MicroLED的每个像素由红色、绿色和蓝色的子像素组成，每个像素单独控制，从而能够精确控制显示的亮度、形成一个像素。随后，光线被引导通过一组滤色器来创造所需颜色。MicroLED阵列经由垂直交错的正负栅状电极连结每一颗MicroLED以显示影像。MicroLED因为其高亮度高清晰度适配于衍射光波优势。MicroLED亮度较高适配于MicroLED蓝光100万尼特，绿光500万尼特，红光100万尼特时还可以精确控制显示亮度、颜色和对比度，具有较高的画面性能；MicroLED克服量产困难，AR设备中使用率有望持续提升。中国企业在MicroLED布局不落下风。根据全球咨询机构ResearchandMarkets报告《GlobalMicro-LEDDisplayMarket-Outlook&Forecast2023-2028》（2024）,2022年全球以上，其中京东方、华兴、天马等头部面板厂商均积极布局。动背板上，使其与驱动集成电路系统之间形成良好的机械固定和电对这一过程要求极高，存在剥离、拾取、转移、键合几个关键步骤。目前面临两个技术难点：1）转移精度方面，巨量转移技术转移的且像素密度较高，需要新技术来满足转移数量巨大的要求。摆臂式转移技术、针刺式转移技术、静电力转移技术）、自组装技术（流体自组装技术、磁力自组装）、滚轴转印技术和激光剥离技为吸附力实现介面调控，通过调控转移头的作用力，将芯片转移至目标基板上，但受转移头阵列限制，转移效率和精准度相对较低。无需单独拾取或释放芯片，大大提高了芯片的转移效率，但组装过程中芯片易损毁，良率无法保证。精密自动化装置完成芯片与目标基板的对准和压印，提高了芯片的转移精度，但其自动化装置精密工艺难度大，且不能选择性转移芯并利用响应层产生的化学或光热反应，将芯片剥离至目标基板上，具有高精度选择性释放芯片的能力。通过将单束激光衍射成多束激芯片巨量转移的主流方案。多家公司布局激光巨量转移技术光巨量转移技术，2022年9月，其首批MicroLED巨量转移设备其Mini/MicroLED激光巨量转移设备可实现50μm内芯片应用需12月迈为股份自主研发、设计、制MicroLED量产加速。MicroLED实现单色较简单但实现全彩相对复杂，当合成法商业化最快，但其设近眼显示领域尚无法实现全彩的高亮显示。全彩方案的工艺难度相显示屏的子画面合成，然后利用驱动面板进行图片信号的传输，进实现饱和度较高的色彩显示，但设计难度较高。如今研究热点为量子点技术。3）三色RGB法：2016年Peng采用CoB构，蓝光和绿光LED使用GaN材料结构且为水平结构。通过CoB后续需关注光学透镜合成法商业化应用，当前雷鸟创新通过棱镜合RGB发光材料不同，驱动电流不同，MicroLED的红光效率低，导致难以实现单片全彩，现阶段采用三色合光方案比较合理。受限注光学透镜合成法的商业化应用，其可解决全彩显示成本高，设计观点总结术决定波导性能，制造衍射光波导所需要精度和速度都可靠的电子束曝光和纳米压印的仪器价格较高，所需精度较高，生产条件较为苛刻。后续关注纳米压印设备精度及效率提升。2、显示方案中，Micro波导方案，有望成为AR眼镜微显示器的最优选择。前需克服巨量转移和全彩显示两大难题。激光巨量转移技术响应速度快且选择性高，多家公司布局激光巨量转移技术，出货激光巨量转移设备，助力Micro