AR光学专题研究报告2024：从离轴透镜到光波导-维深Wellsenn XR

@深圳市维深信息技术有限公司AllRightsReservedAR光学经历了棱镜方案、离轴透镜方案、自由曲面方案、Birdbath方案和光波导方案五个阶段，目前Birdbath方案以低成本和优秀的成像质量，成为当前投屏观影类场景下多数AR设备选择的光学方案；但随着AR在消费级市场逐步渗透和起量，C端消费市场对AR设备的轻薄、便携、佩戴体验等提出了更高的要求，光波导方案以其轻薄、极高的透光率以及日渐成熟的量产工艺，逐渐成为消费级AR市场的发展和进化方向，特别是以雷鸟、INMO、Xreal、魅族等厂商已经推出或即将推出基于光波导的AR设备，我们判断光波导方案未来3-5年将成为多数消费级AR升级的首选方案。光波导光学方案关键在于利用光波导实现光路的延长，利用半透半反镜面阵列、光栅等光学元件实现光的折叠和传播，在传递屏幕光的同时，不影响环境光的入眼，最终实现近光波导方案基于当前技术可细分为多个领域，基于几何光学的阵列光波导、基于衍射光学的衍射光波导以及基于偏振折返式光学的混合波导，各光学方案有各自独特的优势。产业界基于当前技术进一步进化，通过探索二维扩瞳、波导拓展、光栅构造、镜片材料、偏振复用等技术，推动光波导方案进一步发展。这些更先进的光学方案有助于压缩模组的厚度和重量，提高光学参数，在实现普通眼镜形态的同时，提供优秀的显示交互体验。此外，基于微纳工艺的全息元件或超表面，同样具有卓越的光学性能，在探索差异化的AR光学道路上，有望成为产业和资本的追踪赛道，为元宇宙硬件多元化，增添新的解决本报告共计91页，对AR光学方案进行了系统、全面的分析，详细描述了光学评价参数、AR产业链以及不同AR光学方案之间的差异。通过追溯AR光学发展历程，针对各时段主流AR光学方案以及光学方案厂商，从结构、原理出发，基于原创性的结构图和原理图，对不同AR光学方案进行梳理，着重分析了不同光学方案的优劣点、技术瓶颈、量产难度、发展趋势等，最终基于各项资料统计整理。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导2R一、AR光学概述 (一)AR光学原理 1、AR光学概念 (2)视场放大 (4)虚实叠加 (二)AR光学评价参数 3、透光率 6、出瞳距离Eyerelief 维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导3R(三)AR光学方案类型 (四)AR光学发展历程 (五)产业链结构 二、AR棱镜光学方案 (二)核心厂商及产品 三、AR离轴透镜方案 四、AR自由曲面方案 (二)核心厂商及产品 (二)基于Birdbath光学方案的单光源双目显示 (三)核心厂商及产品 维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导4R六、AR光波导方案 2、一维扩瞳和二维扩瞳 4、核心厂商及产品 (四)衍射光波导 维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导5R(1)表面浮雕光栅波导 4、镜片材料 (五)混合光波导 2、双混合波导 (六)光波导方案综合对比 1、主流光波导方案对比 2、主流光波导工艺对比 3、光波导方案对比 七、其他前沿光学方案 88八、AR光学方案总结 维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导6图表1:近眼成像原理示意图图表2:视场放大原理示意图图表3:See-Through实现方式示意图图表4:VST与OST对比图图表5:AR、VR、MR原理区别示意图图表6:视场角FOV示意图图表7:人眼视场角示意图图表8:常见视场角对比示意图图表10:不同场景屏幕亮度需求图表11:不同光学方案透过率图表12:不同光学方案光学效率图表13:Eyebox与Eyerelief示意图图表14:不同光学方案模组厚度图表15:光学方案对比图图表16:AR光学方案演化图图表17:AR光学发展历史图表18:AR产业地图图表19:棱镜方案原理图图表20:棱镜显示方案技术发展历程图表21:棱镜方案核心厂商及产品图表22:离轴透镜方案原理图图表23:自由曲面方案原理图图表24:自由曲面方案核心厂商及产品图表25:Birdbath方案光路示意图图表26:Birdbath方案特点图表27:Birdbath方案工艺流程图图表28:单光源双目显示系统示意图图表29:Birdbath方案核心厂商及产品图表30:光波导原理示意图图表31:光波导方案分类图表32:光波导方案性能指标对比表图表33:混合光波导和孔阵光波导维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导7图表34:几何光波导方案示意图图表35:一维扩瞳示意图图表36:二维扩瞳示意图图表37:阵列光波导特性及优劣性图表38:阵列光波导工艺流程图图表39:胶合工艺流程图图表40:键合工艺流程图图表41:胶合及键合工艺对比图表42:阵列光波导发展历程图表43:阵列光波导方案核心厂商及产品图表44:彩虹效应示意图图表45:全彩化显示方案示意图图表46:一维光栅一维拓展示意图图表47:一维光栅二维拓展示意图图表48:二维光栅二维拓展示意图图表49:不同扩瞳方案对比图表50:光栅属性示意图图表51:表面浮雕光栅波导示意图图表52:衍射光栅光路示意图图表53:矩形光栅及矩形光栅衍射效率示意图图表54:倾斜光栅及倾斜光栅衍射效率示意图图表55:闪耀光栅及闪耀光栅衍射效率示意图图表56:圆柱型光栅光路示意图图表57:不同光栅对比图表58:纳米压印示意图图表59:刻蚀技术示意图图表60:纳米压印与刻蚀工艺对比图表61:体全息光栅波导发展历程图表62:体全息光栅示意图图表63:体全息光栅衍射特性图表64:体全息光栅环境光透过性能图表65:体全息光栅记录介质原理示意图图表66:体全息光栅波导材料分类维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导8图表67:体全息光栅波导材料对比图表68:H-PDLC材料工作原理示意图图表69:H-PDLC材料制备步骤图表70:体全息光栅制备工艺流程图表71:体全息光栅制备示意图图表72:体全息光栅波导厂商布局图表73:体全息光栅波导核心厂商及产品图表74:偏振体全息光栅波导介质结构示意图图表75:偏振体全息光栅偏振响应特性图表76:偏振体全息光栅偏振特性图表77:偏振体全息光栅波导入耦合器示意图图表78:偏振体全息光栅单光源双目显示图表79:偏振体全息波导复合光栅扩大视场角图表80:偏振体全息光栅制备示意图图表81:基材折射率影响FOV图表82:亮度不均匀原理示意图图表83:色彩不均匀原理示意图图表84:镜片材料对比图图表85:混合光波导方案示意图图表86:光学方案对比图表图表87:混合光波导光路原理图图表88:双混合波导系统示意图图表89:基于偏振的杂光消除系统图表90:蚁视产品对比表图表91:AR产品对比图图表92:光波导方案技术路径对比图图表93:衍射光波导方案量产指标对比图图表94:几何光波导与衍射光波导工艺对比图表95:光波导方案优缺点对比图表96:全息光学元件图表97:超表面光学图表98:AR光学方案对比维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导9(一)AR光学原理1、AR光学概念AR(增强现实)基于计算机实时计算、多传感器融合和光电显示等技术，将创建生成的虚拟信息与现实环境叠加融合，通过对现实环境追踪、覆盖、标注，实现虚实融合，增强人类感知和感官体验。AR具有数字世界与现实世界结合、实时交互以及虚拟对象和真实对象的准确3D标识三个特点。AR光学，指利用光的折射或衍射原理，在不影响环境光的前提下，改变屏幕光的传播方向，实现将虚拟信息数据(包括文字、图像、视频和3D模型等)叠加在现实环境数据上。AR光学主要解决增强现实显示交互的四个问题：近眼聚焦、视场放大、环境透视以及虚实叠加。(1)近眼聚焦人眼正常视力焦距为25cm左右，当一个物体距离人眼小于25cm时，晶状体的屈光不够，导致成像无法落在视网膜上，形成清晰图像。这个距离为明视距离。如图所示，距离小于明视距离的物体A,无法在人眼视网膜上聚焦成像，因此显得模糊不清。通过在人眼与物体之间插入透镜B,利用透镜折射原理，改变了光的入射角度，形成屈光度调节作用，使得物体A的成像落在了视网膜上，形成清晰的图像。近眼成像原理示意图视网膜视网膜晶状体物体AAR光学通过在人眼和屏幕之间插入光学透镜，利用光学透镜的折射原理，让明视距离内的屏幕图像满足人眼聚焦的条件，实现屏幕图像的清晰显示。(2)视场放大视场主要指光学系统能提供的视野范围。在AR光学中，视场放大指如何在现实环境区域内看到更大的虚拟图像。通过光学透镜的折射原理，在实现近眼显示的同时，增大光线的传播角度，可实现显示屏幕的光学放大。视场放大主要以视场角的大小来衡量，视场角越大，人眼视野范围内虚拟图像显示的区域越大，则视场放大的范围越大。AR视场放大虚拟虚拟影像透镜微型显示器(3)环境透视AR作为虚实结合设备，现实环境信息是必不可少的一环。目前在XR产业中，允许用户直接看到设备外现实环境信息的透视技术有两种路径，分别为基于光学的OST技术和基光学透视，OpticalSee-Through,简称OST。其核心原理是光学系统允许现实环境光线通过，用户可直接透过光学系统观察到外界环境。在基于OST的AR光学系统中，光耦合器透射现实环境信息，反射由显示屏幕或光机生成的图像信息，在现实环境信息与虚拟信息同时传导到人眼的情况下，实现现实信息与虚拟信息的结合，达到虚拟显示增强现实视频透视，VideoSee-Through,简称VST。其核心原理是利用计算机技术重建现实环境信息，以实现在不透明的设备中观察到外界环境的功能。在基于VST的MR光学系统中，光耦合器主要用于透射由计算机生成的虚拟信息。其中虚拟信息由两部分组成，一是基于摄像头实时捕捉的现实环境信息，用于重建现实环境。二是由计算机生成的虚拟信息，用于叠加在重建的现实环境信息中，达到增强现实的感官体验。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导11See-Through实现方式示意图光学See-Through光耦合器(透明)虚拟世界(投影)真实世界虚拟世界虚拟世界真实世界摄像头视频See-Through显示器(不透明)在当前的XR领域中，采用OST方案的，多为AR显示设备，如基于光波导光学的及焦平面上都更有优势。采用VST方案的，则多为MR设备，如AppleVisionPro、VarjoVST&OST对比表现实环境亮度现实环境分辨率图像遮挡效果虚拟画面延迟焦平面现实信息无延迟虚拟信息有延迟无数个VST100-660nit单眼2k-4k相对精细90°-120°有延迟一个现实环境亮度：现实环境亮度主要影响影响现实环境信息的清晰度、色彩度、环境适应度等参数。OST的现实环境亮度主要由光学方案透过率和真实环境光亮度决定，可达现实环境分辨率：现实环境分辨率越高，展示的现实画面细节则越多，可提供更好的维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导12图像遮挡效果：图像遮挡效果决定虚拟信息与现实环境的融合程度，遮挡效果越差，则融合程度越差，两者割裂严重，增强现实效果差，用户观感体验也不好。OST的虚拟物体不会对真实物体进行完全遮挡，而是呈半透明状态叠加在真实物体上，且虚拟物体与现实环境的边界部分很难进行像素级的融合处理，导致OST的图像遮挡效果相对粗糙。VST由于都是以数字图像的形式提供，合成器以像素级的精细程度实现虚拟信息与现实环境的融合堆叠，可以形成更加细致真实的遮挡效果。因此VST方案的图像遮挡效果比OST方案FOV:FOV决定了人眼可观察到的视野范围。在AR光学中，FOV也指生成虚拟信息的区域大小。FOV越大，显示的虚拟信息画面则越大，用户沉浸感越足。OST受光学元件、显示屏等核心元件以及轻量化的需求限制，目前主流量产的产品FOV在30-70°之间。VST由于使用的显示器尺寸较大，且可以将显示器与光学器件完全设置在眼睛前方，因此能够虚拟画面延迟：虚拟画面的延迟会影响用户沉浸感，严重的画面延迟还会存在明显的滞后，导致晕动病等不良症状的发生。OST现实环境由真实环境提供，所以该部分无延而虚拟信息由计算机模拟，存在一定延迟，当画面延迟过大时，会造成虚拟信息与现实环境割裂，导致画面漂移等影响观感的现象。VST现实环境和虚拟信息都由计算机模拟，所以现实环境与虚拟信息之间无延迟，与真实环境有延迟，当与真实环境的延迟过大时，同样会导致运动病等问题，目前VST方案下最低12ms。焦平面：不同的焦平面可控制不同的景深，提供清晰的显示效果，减少模糊感，缓解长时间使用下的视觉疲劳，并提供更好的3D体验。OST方案现实环境即真实环境，所以存在无数个焦平面，景深和现实环境景深相同。而VST方案的现实环境与虚拟信息都由屏幕提供，所以焦平面只有一个，景深也由屏幕显示模拟，因此与现实环境景深存在差异，长OST方案在轻薄、省电、现实环境亮度、现实环境分辨率、延迟、焦平面等方面具有优势，但存在光学透视的光路设计复杂，量产难度高，虚拟视图与真实环境存在延迟，视觉效果受环境影响较大等问题，且显示画面的视场角有限，无法显示纯黑画面，存在色散、维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导13VST方案在虚拟图像遮挡效果、FOV、信息配准、亮度匹配控制等方面具有优势，但提升用户体验，需要堆砌超高分辨率的显示屏、高算力芯片、高速传输芯片以及优异的VST算法，功耗也会随之提升，对厂商的综合实力要求极高。同时超大视场角体验带来的代价是复杂光线环境下还原效果不佳，产品形态臃肿，大量算力浪费在还原现实世界，导(4)虚实叠加AR技术是增强现实技术，主要在现实世界信息上叠加数字信息。确保虚拟信息与现实环境无缝融合，使用户体验更加自然和沉浸，是虚实叠加需要解决的主要问题。2、AR与VR、MR的区别XR领域目前主要分为三大类型，分别为增强现实AR、虚拟现实VR以及混合现实MR。其中虚拟现实VR与混合现实MR常出现于同一设备中。透镜透镜虚拟物体虚拟环境虚拟物体虚拟物体真实显示器环境显示器虚拟影像透镜透镜ARVRMR在AR情景中，光学显示系统负责将虚拟环境信息映射到现实环境信息中，用户的观感体验建立在真实环境上；在VR情景中，光学显示系统负责显示由计算机系统创建的虚拟环境信息，用户的观感体验建立在与当前现实环境无关的虚拟环境上。在MR情景中，光学显示系统负责仿真由摄像头捕捉到的现实环境信息，并插入计算机系统创建的虚拟内容，用户的观感体验建立在与当前现实环境有关的虚拟环境上。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导14(二)AR光学评价参数视场角(FieldofView),简称FOV,指显示设备成像中，人眼可观察部分的边缘与人眼瞳孔中心连线的夹角，即水平、垂直或对角方向上对虚像最大的可视范围，包括水平视场角(HFOV)、垂直视场角(VFOV)以及对角线视场角(DFOV),未加特殊说明时指左右两个边缘与单个观察点的夹角，即水平视场角。视场角是判断沉浸感的重要参数，视场角越大，沉浸感越强。视场角FOV示意图A:水平视场角C:对角线视场角正常人单眼的水平视场角最大可达160°,双眼的水平视场角最大可达200度，双眼重体验的标准，180°视场角则是达到完全沉浸的标准。而在AR光学中，市场上主流的方案仍在30°-70°之间。人眼视场角示意图维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导15对于C端用户，FOV越大则沉浸感越强，玩游戏、看视频的体验感也就越好。而对于B眼镜就足以满足维护、检修等场景的需求，同时视场角以外的区域并不会受到遮挡，可让用户看到清晰的周边环境，从而提高安全性。图中蓝色方框是人眼可视的视场角范围，红色的方框为市面上普通VR头显的视场角范围，内里的方框则是市常见视场角对比示意图在AR场景下，FOV的大小主要指虚拟图像显示区域的大小，因此FOV的大小与可支持在40-60°的FOV下，可支持游戏、视频、投屏等投屏观影类场景；在60-100°的FOV下，可支持MR应用、教育培训、展览展示等虚实融合类场景；100°及以上的FOV,可支持MRARFOV与支持功能场景100°及以上功能场景信息提示投屏观影虚实融合沉浸体验翻译、导航、提词、指示、标注等传统硬件的游戏、视频投屏等MR应用，教育培训、展览展示、游艺互动等沉浸式观影、MR游戏、办公、会议等维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导162、亮度亮度指光学系统显示虚拟图像的亮度，在AR光学中，亮度指屏幕图像入眼的亮度。亮度的高低影响画面的清晰度、对比度、色彩鲜艳度等参数。不同的应用场景有不同的亮度要求，足够高的亮度允许用户在阳光直射的环境中也能看清图像，这也是当前AR设备面临不同场景的亮度要求场景低户外亮度(阴天)中等户外亮度高户外亮度(晴天)亮度(nit)数据来源：wellsennXR整理一般情况下，AR眼镜入眼亮度达到300尼特可满足室内需求，1500尼特入眼亮度可满足正常户外需求，3000尼特才能达到全天候AR眼镜的亮度需求。3、透光率透光率，指人眼透过光学元件可接收到的环境光量与总环境光量比例，高透过率可以使观察到的现实世界更清晰。理想的透光率是100%,现有的AR光学技术还很难做到。低透光率会导致OST方案下的AR设备难以看清现实环境，对安全性有很大的威胁，可以应对普通消费者室内使用场景，但难以被专业应用场景接受。离轴透镜离轴透镜棱镜Birdbath自由曲面光波导透光率35%-80%12.5%10%-30%35%-80%85%-90%普通眼镜透过率在90%-95%左右，在AR光学方案中，光波导透过率一般在85%-90%之间，自由曲面透过率可以根据需要设置，一般介于35%-80%之间，BB光学透过率一般在10%-30%之间。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导17光学效率指人眼接收光与发光元件(屏幕或者光机)发出光的比例。AR光学中，不同的光学方案采用的原理和设计不同，导致光学效率相差很大。如AR衍射光波导由于光的衍射、波导全反射吸收、衍射色散等问题存在光的损失，理论光学效率为0.1%-1%;阵列光波导利用光的反射原理，在波导全反射传递、半透半反镜阵列透射和反射时存在光的损失，理论光学效率为8%-15%;BB光学方案在偏振分束器、半透半反镜面上都存在光学损失，理论光学效率为25%。此外，由于还存在设计、制造等方面的问题，通常真实的光学效率要比理论值低。不同光学方案光学效率离轴透镜棱镜Birdbath自由曲面光波导阵列光波导表面浮雕光栅体全息光栅光效30%-80%8%-15%(一维)5%(二维)0.1%-1%0.1%-1%数据来源：wellsennXR整理自由曲面的原理是内反射，外加一次分光膜。分光膜决定光学效率和透过率，光学效率+透过率≈95%,光学效率和透过率成反比关系。通常自由曲面设定为35%的光学效率和60%的透过率。光波导通常为光机+光波导搭配，在光机部分，通常为Lcos或者是MicroLED光机，此类光机为点光源，常以流明为单位标注亮度，光波导显示画面为面光源，通常以尼特为单眼动范围Eyebox指近眼显示光学模组与眼球之间的一块锥形区域，是显示内容最清晰的区域。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导18在AR光学系统中，如果接收眼与输出区域的中心对齐，将获得完美的图像。当眼睛向左右或上下移动时，在每个方向的临界值外，图像将变差，超出该区域范围的图像显示会呈现扭曲、显色错误，甚至不显示等问题。Eyebox通常以毫米的单位来衡量，在VR中由于屏幕和光学模组呈圆形，所以Eyebox呈圆形，一般都是以直径大小来表示；AR的Eyebox通常为矩形，一般以长和宽的大小来表示。由于人的瞳孔直径大约4mm,所以Eyebox的直径或宽不能小于4mm。由于AR设备在佩戴使用时存在上下滑动，以及人的眼睛间距不一致，因此Eyebox需要做的比瞳孔直径更大，才能保证在使用中能够持续地聚焦。Eyebox与FOV相互制约，想要获得大的动眼框，就要牺牲视场角大小，反之亦然。出瞳距离Eyerelief是指能够看清整个视场时眼睛与光学镜片间的距离，通常人眼与眼镜的出瞳距离为12mm,目前VR光学的出瞳距离大概在8-15mm之间。AR的出瞳距离大概在12-20mm之间。出瞳距离小，有利于提高光学系统的视场角。出瞳距离大，会提高整个光学系统的厚度。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导197、厚度厚度通常是指光学模组与人眼视线垂直方向的最大厚度。光学厚度决定了AR眼镜的体积、重量、佩戴舒适度甚至是其应用场景。整体而言，随着光学方案技术的迭代，光学模组呈轻量化趋势，AR眼镜的终极追求是类普通眼镜镜片的厚度和重量。离轴透镜棱镜Birdbath自由曲面光波导模组厚度9mm-25mm数据来源：wellsennXR整理(三)AR光学方案类型光学成像模组是AR近眼显示系统的关键部分，位于人的眼前并占据整个终端的主要体积，来自显示器的虚拟信号和来自现实环境的真实信号都经由其进入人眼。因此，光学成像模组极大程度地决定了AR眼镜的产品形态和显示效果，是AR眼镜放量瓶颈突破的关键。目前AR近眼显示系统中，光学成像模组存在多条技术路线，包括离轴光学方案、棱镜方案、Birdbath方案、光波导方案等。不同的光学方案具有不同的优势和局限性。成像模组离轴光学类棱镜类自由曲面类Birdbath类光波导类原理图开界夫被艳F翠光开界夫被艳F翠光 X折环城X偏郑分来浴波等基腐波等基腐境影光机境影光机厚度>9-25mm轻量化水平FOV低10°~20°较低20~55°般30°~60°25°~80°Eyebox成像质量较大好较好一般好一般好好/较好透过率40%~70%<50%~50%主要挑战1、轻量化和显示效果存在矛盾2、体积下限无法突破3、透过率较难提高1、量产工艺尚不成熟，成本较高2、不同细分方案缺点不一维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导20离轴光学棱镜曲面阵列波导衍射波导部分产品部分产品部分产品部分产品GoogleGlassMirageARDreamGlass耐得佳RokidAirRokidVisionVuzixblade图片来源：wellsennXR整理联系，提高产品的场景适用性，有助于AR走出室内。AR光学发展历史概念期热潮期走出实验室产品功能加速迭代冷静期受商业模式和技术瓶颈制约，厂商开始司托马斯·考德尔首提ARToolkit推出2000年，第一款AR游戏2012年，谷歌发布GoogleGlass2015年，微软发布Hololens2016年，AR游戏Pokémon塑造XR平台能力并推进硬件持续迭代2017年Enterprise复苏期2018年2019年2020年态完善，渗透率实现加速提高2022年维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导21(五)产业链结构目前AR光学产业链较长，整体呈上游硬件原材料壁垒高、中游方案研发竞争激烈、下游C端生态不足的特征，上游主要包括原料设备，中游覆盖各类型光学方案，下游为终端应用品牌。ARAR光学产业图谱glassmadeofideas玻璃/树脂基材MitsuiChemicasAGCGdnano光舵微纳之致瑞科技Germanlitho天仁微纳光学膜材tesaZ光刻胶NAGASENordsonRA光驰科技BRANDNEWFUTUREJPTG阵列光波导衍射光波导Goeroptics舜宇奥来技术LINOXI-ARXreQl棱镜舜宇奥来技术kURAGoeroptics舜宇奥来技术gGCO灵犀微光F6-qlosscsMeta-Bourds黄家VUZIXMicrosoft自由曲面technologies下游雷鸟Xreal影目科技品牌厂商Lenovo联想中游上游AR产业链上游原料主要分为玻璃/树脂基材、光学膜材以及光刻胶、OCA等加工辅料，设备可细分为检测设备、AA设备、压印设备、镀膜设备和清洗设备等，上游的技术瓶颈和成本主要集中在硬件部分，公司覆盖范围较广。AR产业链中游为光学方案厂商，包括设计和加工制造厂商，其中设计制造类按光学方案可分为光波导、Birdbath、自由曲面和棱镜等技术方案厂商。中游厂商常覆盖多个光学方案，目前C端较为普及的是Birdbath方案，未来光波导方案有望成为业内趋势。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导22AR产业链下游为终端应用品牌，B端应用以提供云服务、AR本地部署为主。C端应用(一)原理棱镜方案作为AR商业化初始尝试方案，技术成熟且成本低廉，但视场角、图像呈现效果、重量等无法达到视场要求。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，棱镜上的半透半反结构负责将投影的光线反射到人眼的视网膜中，同时半透半反结构透射环境信息，与投影图像融合叠加，形成虚实结合的效果。但棱镜方案存在视场角大小和体积大小的矛盾，提供的视场角越大，则棱镜光学镜片体积越大，且厚度越厚。如GoogleGlass的视场角仅有15度，但光学镜片已达10mm厚度。尽管对棱镜方案进行改进，如通过对基本AR光学系统结构和位置的改变来平衡视场角与体积之间的矛盾，但依然难以完全解决棱镜技术本身视场角与体积重量的矛盾问题。此外，由于透明棱镜在强光下的显示效果较差，为了保证显示内容足够清晰，棱镜方案通常采用包裹式结构，导致产品较厚，视场角偏小，AR体验感不强。因此虽然该方案技术成熟且量产成本低，但在新产品中应用较少。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导23WiellsennXR棱镜显示方案技术发展历程谷歌推出"拓展现镜光学与硅基液晶微型显示器的方案，方向智能眼镜New800x480LCOS微型显示器和光学棱镜组合，视场角北京奥图科技公司在CES上展示了自800x480LCOS学棱镜组合技术，视场角为20°4388元，对光学棱镜技术进行革新，色彩。(二)核心厂商和应用产品棱镜方案厂商有耐得佳、珑璟光电、舜宇等，棱镜方案应用产品如GoogleGlass,利用光学模组中呈45°角的棱镜，反射微型显示器(即LCOS屏)的影像到人眼。由于光学显示系统处于人眼右前方，所以必须将实现聚焦在右前方才可以看到图像信息，且视场角只有15°左右，棱镜厚度则达10mm左右，所以产品进入市场后不久便因亮度不足、图形畸变等问题被公司撤回。棱镜方案核心厂商及产品代表产品形态特点GoogleGlass镜片式包含通话、信息和邮件的处理以及声音控制拍照、地图定位导航等功能，颠要了人12°~15°们对眼镜的传统观念，并首次将智能眼镜作为民用产品带到我们的日常生活中，2015年停售。RealWear头戴式全语音控制，詹解放双手，支持嗜杂工业环境，用于专家远程指导现场，智能巡检，数字化协作，设备运维和复杂的制造组装等工作辅助。联想NewGlass镜片式分体式镜架夹持式设计，可以将“智能眼镜”夹持在消费者已有的眼镜镜框上使用方便近视人群佩戴。北京奥图CoolGlassOne镜片式国内首款支持中文语音操控的智能眼镜。数据来源：wellsennXR整理维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导24(一)原理离轴透镜方案光学原理利用半透半反镜片实现显示屏内容的反射，现实环境信息的透射，从而实现虚实景物的叠加。离轴透镜方案的光路是离轴的，其光路在光机外的空气中传播，显示屏与镜片分属不同的模块，所以体积相对较大，常以头戴式产品呈现。离轴光学是最先运用于AR中的光学方案，最早应用于军工领域。其优点是结构简单，工艺成熟，成本低，可实现较大的FOV,如2016年推出的Meta2采用离轴光学方案，能提供90°视场角。但采用离轴光学方案的产品体积在所有AR光学方案中最大，造型突出，导致应用场景有限，且生成的全息影像不稳定，随环境变化较大，故而目前采用该方案的产品较少。(二)核心厂商和应用产品离轴方案为早期AR光学应用方案，因体积大、画面容易受环境影响等原因，目前已经较少出现在消费市场中。其应用产品如2016年推出的Meta2,虽然视场角可以达到90°,场角，产品体积相对较小、重量较轻，使用更为灵活。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导25(一)原理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。自由曲面方案中显示屏发出的光投射到半透半反曲面镜上，半透半反曲面镜反射显示屏图像光线，同时透射现实环境光线，显示屏图像光线与环境光线同时进入人眼，实现虚实结合的显示效果。显示屏的理想位置居中，并与镜面平行。在理想位置上显示源能够覆盖用户的眼睛，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”,居中设置在额头上方并与镜面平行。凹面镜上的画面图像存在畸变，需自由曲面的光路原理与离轴透镜方案的相似，都是利用半透半反曲面镜实现显示屏图像的反射，现实环境光的透射。区别在于离轴透镜方案的光路在光机结构外的空气中传播，显示屏与镜片并不是一个整体，所以体积难以缩小。而自由曲面的光路在光机内部传播，显示屏与镜片组成了一个整体，体积可以做得相对较小，从而以更轻便的形式呈现。自由曲面方案原理图显示屏屏幕光半透半反棱镜环境光自由曲面按曲面镜大小可分为大曲面和小曲面，大曲面的视场角更大、成像效果更好，小曲面则牺牲部分视场角，但眼镜外观更为小巧轻便，便于日常佩戴，性价比更高。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导26自由曲面棱镜的非轴对称性和多设计自由度，在非共轴系统中能修正系统的离轴像差，提高成像质量。在同样成像效果下，比共轴摄像物镜结构简单、体积小、质量轻，比离轴摄像物镜成本低视场角大。其方案优势在于技术成熟、成像效果好且光损低，但仍存在产(二)核心厂商和应用产品自由曲面棱镜技术是如今B端眼镜中比较主流和代表性的技术方案。目前自由曲面光学方案厂商主要为耐德佳，其主要产品有自由曲面钻石Pro、自由曲面AR光学模组等，其中2022年推出的自由曲面钻石ProAR光学解决方案具备显示清晰、镜片轻薄、适用范围广等优点。代表产品年份特点EPSONBT-300厚度、色彩、饱和度以及画质都非常好且采用分体式设计，体型小巧，便于携带，具有非常好的穿戴体验，缺点是视场角较小。亮风台-HiARGlasses30°~39°采用一体式设计，外形轻便，是首款搭载高通820的AR眼镜，适用于工业、教育、医疗、旅游等众多应用场景。耐德佳-自由曲面钻石Pro45°在AR光学的性能上已经超越国外同类产品，具有极高的性价比。2022年公司新品自由曲面钻石Pro具有高清、高亮、高透过特点，光线透过率60%,FOV达55°。数据来源：wellsennXR整理(一)原理Birdbath英文原意为鸟盆，意为鸟盆状的凹面镜将来自眼镜顶部的微显示屏光线汇聚，模拟在人眼固定距离对焦，再反射入人眼。其方案原理为图像由显示源投射，经显示屏上的透镜变焦放大传递到偏振分束器上，偏振分束器将来自屏幕的光反射至半透半反曲面镜，来自屏幕的光经半透半反曲面镜二次反射，偏振分束器透射，最终抵达人眼。同时现实环境的光经半透半反曲面镜和偏振分束器的透射，最终抵达人眼。用户能够同时看到现实环境的真实对象以及由显示器生成的数字影像。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导27Birdbath方案光路示意图镜头镜头半透半反光损环境光—V4玻片—反射镜—盖板玻璃Birdbath方案屏幕光路结构：1、由显示屏发出的光经线偏振片转换成线偏振光，并通过显示屏上的透镜实现影像放大变焦，朝偏振分束器的方向投射；2、线偏振光经偏振分束器分离成P线偏振光和S线偏振光，P线偏振光透射，S线偏振光反射，透射的P线偏振光沿着原来方向传播，最终被模组边缘抵消。反射的S线偏振光朝半透半反曲面镜的方向继续传递；3、S偏振光第一次经过半透半反曲面镜上的四分之一波片，转换成圆偏振光；4、圆偏振光经过曲面镜上的半透半反膜，被分离成50%的透过光和50%的反射光，不改变光的偏振状态；5、反射的圆偏振光第二次经过半透半反曲面镜的四分之一波片，转换成线偏振光，同一方向的光两次经过四分之一波片，相当于经过二分之一波片，偏振状态不变，方向相反，所以由S偏振光转换成了P偏振光；6、P偏振光经过偏振分束器的透射，最终抵达人眼。偏振分束器与曲面镜的透射和反射会导致光的损失，理论上最终入眼亮度约为屏幕亮度的25%。但由于光学元件吸收以及制造工艺问题，实际光效率会低于25%。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导28Birdbath方案环境光路结构：现实环境的光线依次经过前偏振器(右侧红色虚线)、振器和两组四分之一波片作用是将现实环境光线转换成偏振器透射的P线偏振光。理论上入眼亮度为环境光的25%,但由于光学元件吸收以及制造工艺问题，实际光亮度会低于理论Birdbath光学方案只有外侧镜片等少部分是玻璃材质，其它都是塑料，中间部分填充空气，因此整个光学模组重量很轻。光学硬件组件：分光镜+凹面镜视场：一般在50°左右光能利用率：分光镜为偏振分束器和半透半反镜，都会产生光损耗制造成本较低满足投屏观影类场景光损严重，环境光较暗，相当于在室内戴墨镜目前Birdbath方案的生产工艺较为成熟，在依次组装各光学元件后，对画面进行检测并进行双目标定及振动检测，随后通过性能检测，不合格产品返厂维修，合格产品组装密封检验后入库。Birdbath方案工艺流程图开始整机密封包装入库性能检验返修凹面镜密封双目标定组装上盖振动检测粘贴标签外观检验画面检测维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导29作为目前普及率较高的光学方案，Birdbath方案具有如下优势：1、成本低，大部分材料都基于塑料薄膜，唯一高成本在于显示模组(MicroOLED屏幕);2、重量轻，尤其是空心的方案；3、搭配OLED类屏幕效果出色，且光效率比光波导高，图像质量也很好。方案的劣势也很明显：1、模组较厚，分束器厚度需与图像宽度接近；2、透光率低，隔绝了约75%真实环境中的光线；3、视野受限，因为顶部视野几乎被眼镜本体遮挡，用户只能直视或者向下看；4、出瞳距离较小。为了提高观看舒适性，提高出瞳距离，需要更大、更厚的设计；5、尺寸、重量因素限制OLED亮度选择，Birdbath光效通常在15%左右，800nit亮度的OLED入眼会更低；6、漏光，即便使用前偏振膜，入眼的光仍有5%向前方反射，隐私性较差。(二)基于Birdbath光学方案的单光源双目显示传统Birdbath光学方案受限于光路设计，模组体积较厚，FOV难以增大，且整机方案下，双MicroOLED屏幕仍会导致最终成本较高，因此为提高FOV,进一步降低整机成本，在Birdbath光学方案的基础上，凤凰光学首先推出了单屏幕分光显示方案。单光源双目显示系统示意图显示屏透镜反射棱镜分光棱镜Birdbath镜片(左目)透镜反射棱镜Birdbath镜片(右目)显示屏显示屏分光棱镜半透半反曲面镜偏振分束器反射棱镜正视图侧视图维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导30单屏幕分光显示方案可分为两种，空分光导(BM)和临界光导(BP)。其原理为利用分光棱镜将单一屏幕的光分成两份沿不同方向传播的光，利用透镜系统将两路光线变焦放大，通过两个反射棱镜，将两路光线分别导入Birdbath光学镜片中，经模组中的半透半反膜以及曲面镜折叠光路，实现屏幕光到人眼的传播。在该方案中，光源仅由单一屏幕提供，降低了整机功耗、重量以及成本，同时光学透镜以及反射棱镜进一步延长了光路，可在同等屏幕尺寸下，降低光学模组的厚度，提高光学模组的FOV。缺点是该方案下对单一光源的亮度要求较高，光损耗较大，漏光问题仍然存在，且无法完全避免Birdbath光学方案FOV与模组体积的矛盾。(二)核心厂商和应用产品Birdbath光学方案以其高画质、小体积、轻重量等特点，行业内普遍认为适合应用在多。目前国内Birdbath方案的代表厂商有惠牛科技、鸿蚁光电、水晶光电和Xreal等。其中惠牛科技提供了多个规格的Birdbath方案光学模组，其模组重量被控制在5g至9.5g内，画面畸变也控制在了0.6%至1.0%的水平，FOV最高可达50°。目前Rokid已使用惠牛CA43模组推出了RokidAir眼镜，重量仅83g,支持3D观影和全景视频。代表产品发布年份特点43°重92g,设计上接近普通眼镜，将手机作为计算终端，通过数据传输即插即用。整机重量仅85g,500度以内近视可调节产品面向C端客户，外形时尚美观。雷鸟Air47°整机重量75g,边框采用透明尼龙材料柔韧耐刮：鼻垫360°双向可调节，镜腿支持30°调整。设备搭载OLED材质的双目全高清显示屏，色彩艳丽、层次分明。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导31光学作为AR智能眼镜核心技术之一，其模组很大程度上决定了产品体积重量、外观设计、佩戴体验、产品定位和应用场景等。在AR眼镜呈轻量化的趋势下，光波导由于形态轻薄具备长时间佩戴的可能，同时具备清晰、透亮、大FOV等优势，被认为是AR眼镜的发展方向和未来形态。(一)原理概述AR光波导方案一般由光机、波导和耦合器三部分组成。光机负责显示图像的输出，将微型显示器发出的光线准直后投射到耦合器中。波导是传导各种波的装置，光波导则负责引导光波在介质中进行传播，在光波导方案中用于显示图像的光传递。耦合器分为耦出区域和耦入区域，光耦合是将光从一个光学元件引入到另一个光学元件中的过程，光波导耦合指将一个模式的功率完全转移到同一波导的另一模式之中，或在两个波导件之间实现能量交换。在光波导方案中，耦入区域的耦合器负责将来自光机的光引导进光波导中，耦出区域的耦合器负责将波导中传输的光引导向人眼。个耦入区域个耦入区域耦出区域微投影光机光波导方案的原理为光机内的微型显示器发出的光线，通过透镜组被入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出光波导后进入人眼成像。由于波导能够实现光路折叠的效果，光波导装置一般体积相对较小，模组厚度较薄。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导32相比传统光学方案，光波导具备如下特点：1、动眼框范围增大，在增加适用人群范围的同时提高佩戴舒适性；2、投影光机可旁置，避免遮挡视线；3、高透光率，提高了数字影像与环境的交互感，并且提高了安全性；4、轻薄，外观接近于传统眼镜样式，更有利于日常化使用。在保证显示质量的前提下，将产品做薄、做小，提高佩戴舒适性和安全性，有利于日常化使用，是AR产品市场化的必要因素，因此，光波导技术被视为AR眼镜的未来趋势。(二)光波导分类根据光进出波导的耦合结构及其光学原理的不同，光波导技术可分为几何光波导、衍射光波导、混合光波导以及孔阵光波导四个方向。光波导方案分类光波导技术光波导技术耦合器件配置几何光波导衍射光波导光栅类型偏振体全息光阵列光波导表面浮雕光栅体全息光栅栅混合光波导孔阵光波导目前主流方案为几何光波导和衍射光波导。几何光波导依靠光的反射进出光波导的耦合结构，主要为采用半透半反镜面阵列的阵列光波导。衍射光波导依靠光的衍射进出光波导的耦合结构，根据耦入/耦出区域所使用光栅类型的不同，分为表面浮雕光栅波导SRG、体全息光栅波导VHG以及偏振体全息光栅波导PVG。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导33主要技术路径几何光波导浮昨浮昨体全息光栅波导半透半反镜全点光学元件(照入)平面波导(反射面)全点光学元件(辆出)示意图(反射面》优点色彩还原度高，色差小尺寸小，出瞳大，亮度高尺寸小，出瞳大，亮度高厂商阵营Lumus,Optivent,灵犀，理湃Microsoft,MagicLeap,BAE,Waveoptic,Vuzix,DispelixSony,TruelifeOptics,Digilens,Akonia光能利用率一维10%~15%二维5%光耦合器半透半反镜面阵列表面浮雕光栅体全息光栅偏色微小严重较严重最大视场角Lumus50°HoloLens252°Digilens35°制造工艺传统光学冷加工镀膜/贴合/切割半导体微纳加工纳米压印激光全息干涉几何光波导利用的是光的反射，因此显示画面质量较好，色彩还原度高，色差小，但由于制造工艺复杂，良率较低，因此生产成本较高。而表面浮雕光栅波导以及体全息光栅波导都采用了光的衍射效应，存在散射、彩虹效应等问题，因此画面显示较差，偏色严重。但在制造工艺方面，纳米压印、刻蚀工艺以及激光全息干涉工艺良率较高，因此生产成本较低。偏振体全息光栅波导则目前仍处于研发验证阶段。混合光波导和孔阵光波导混合光波导在两种主流方案外还有混合光波导和孔阵光波导。混合光波导采用偏振折返式光学，去除了体积较大的光机模组，采用薄板式光源，使得落地产品镜腿可做成普通眼镜的形态；孔阵光波导采用孔阵(小孔成像)的光学技术，利用小孔成像原理反射光线透过人眼瞳孔并在眼底成像，多个小孔起到扩瞳的作用，使得在不同位置观察也能看到相同图像，可以达到提升视场角、实现扩瞳且图像质量较好的目的，但存在光效低、镜片厚重和小孔影响视觉体验等问题，迄今落地产品较少。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导34(三)几何光波导几何光波导以阵列光波导为主要研究方向，利用半透半反镜面阵列反射图像信息，服从入射角等于反射角的光路定律，因此可以获得无散射的高画质图像显示。阵列光波导采用传统光学冷加工工艺，目前已经过几轮工艺迭代，现阶段在显示、光机体积和成本等方1、技术原理在阵列光波导中，光束一般由一个反射面或者棱镜耦合进入波导，在多次全反射后进入半透半反镜面阵列。半透半反镜面阵列朝人眼位置反射光线，出射光较为均匀，且光束分批多次出射可实现扩瞳技术、增大动眼眶范围等。其中，半透半反镜面是嵌入到玻璃基底并与传输光线形成特定表面角度的阵列，每个镜面将部分光线朝人眼方向反射出波导，其余光线经镜面透射，继续在波导中前进至遇到下一个半透半反镜面。镜面阵列的最后一个镜面仍为半透半反镜片，一部分光线反射，剩余部分光线透射。透射的光线会传递到波导片边缘，被波导片边缘上的黑漆或其他可吸收光线的材质吸收，这部分光线会白白丢失掉，也不会对成像造成干扰。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导352、一维扩瞳和二维扩瞳不同性别和年龄的人双眼瞳孔间距可能从51mm到77mm不等，如果近眼显示系统的光学中心依据瞳距的平均值(63.5mm)位置来设计，则将有很大一部分人看不到清晰的图像甚至完全接收不到图像。在传统光学成像系统中，图像通常只有一个"出口",即出瞳，而阵列光波导的半透半反镜面阵列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，使得眼睛在横向移动时能看清图像，适配更大的瞳距范围，这就是一维扩瞳技术(1D一维扩瞳在一维扩瞳阵列光波导产品中，光机体积与产品的FOV(视场角)成正相关，FOV越大，光学模组体积越大。针对该局限，二维阵列光波导方案应运而生，用于解决一维扩瞳阵列光波导光机体积与FOV之间的矛盾。在同等FOV的要求下，二维扩瞳产品可以做到比一维扩瞳产品更小的光学模组体积。在同等的光学模组体积要求下，二维扩瞳产品可以做到比一维扩瞳产品更大的FOV。光栅式二维扩瞳维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导36在二维扩瞳产品中，显示屏发出的光经耦合装置耦入波导中，进入波导的光依次通过第一半透半反镜面阵列和第二半透半反镜面阵列，第一半透半反镜面阵列使得显示屏发出的光在Y方向上实现复制，第二半透半反镜面阵列使得经第一半透半反镜面阵列复制的光在X方向上实现复制，达到显示屏发出的光在X和Y两个方向上都实现扩瞳的效果。二维扩瞳产品通过在X、Y轴方向对光线进行多次扩展，能同时实现垂直和水平双向出瞳扩展，从而有效地增加出瞳和Eyebox大小，显著减少耦入部分投影光机的体积，实现阵列光波导方案核心光学器件小型化、轻量化。为高显示要求、深沉浸、强交互和高度集成目前二维扩展设计的难点在于阵列光波导结构复杂，涉及膜层较多，半透半反镜面阵阵列光波导特性及优劣势镜面反射，能够100%还原入射光线繁琐优劣势光波导总体而言，扩瞳技术能够扩大FOV和动眼框范围的同时不出现重影，解决了产品设计中机械设计容差、产品规格数目、用户交互体验等问题，将AR眼镜向消费级产品的实现大大推动了一步。阵列光波导在延续光波导优良性能的基础上，拥有杂散光少、能量分布均匀、FOV较大等优势，但复制出瞳导致总的出光面积增大，进而每一个出瞳位置的通光量减少，降低了几何光波导的光效率，且制备工艺繁琐并环环紧扣，良率的提高相对困难。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导37目前国内初创企业布局阵列光波导较多，已解决一维扩瞳设计技术和量产的难题实现小规模出货，转向攻克二维扩瞳技术的落地。应用二维扩瞳技术的阵列光波导方案能够有效增加出瞳距离和动眼眶范围，在减轻光机体积的同时增大FOV至50度以上，为阵列光波导方案推广至消费级AR应用提供了可能性。3、生产工艺流程几何光波导制造的原材料为普通的光学玻璃，成本相对较低。采用传统的光学冷加工工艺，加工流程主要为研磨、抛光、镀膜和贴合。首先通过切割玻璃基材获得各种规格的波导小棱镜，然后对小棱镜进行粗磨、精磨与抛光，之后在小棱镜上分别镀上不同膜系的薄膜获得不同的反射/透射比，最后对小棱镜进行贴合并固定为表面光滑的波导片，通过测角仪、干涉仪等仪器对波导片进行检测。其中主要的工艺难点为多片玻璃的贴合以及镀膜和切割精度的保证。镀膜工艺，主要涉及半透半反镜面阵列的镀膜。由于光在传播过程中面临能量损耗，阵列中每一个镜面都需要不同的反射透射比(R/T)以保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的，每个膜层的厚度以纳米为单位，对镀膜工艺要求极高。同时，由于几何波导传播的光通常是偏振的，每个玻璃上的高精密镀膜层数可能高达几十层。阵列光波导工艺流程对玻璃基材进行切割切割对每种规格波导小棱镜进行粗磨、精磨、抛光研磨、抛光按顺序对9种小棱镜进行胶合操作，共胶合8次胶合等仪器对光波导片进行检测检测采购采购光学玻璃基材切割成大小不一的9种规格波导小棱镜镀膜对9种小棱镜分别镀不同膜系，其中包含6个分光小斜面镀分光膜固化固化成一个整体，表面光滑，无起伏维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导38贴合工艺主要分为胶合与键合两大类。光学零件的胶合原理是光学材料与光学胶之间发生机械结合、物理吸附、静电引力、互相扩散、形成化学键等作用，使光学零件和光学胶之间产生粘结力，从而将光学零件结合在一起。结合力的大小与胶合材料、光学材料等有关系。传统光学胶胶合加工工艺的劣势在于：1、胶合工艺逐层加工的难度大，且对良率影响风险高，难以大批量生产；2、胶合采用的高分子胶黏剂固化也会引入流平性差、固化不完全、折射率和收缩系数差异大等问题，影响显示效果(杂散光、偏色等);3、玻璃的折射率和光学胶的折射率不同，更大FOV的波导要求更大FOV的玻璃基材和光学胶，但大折射率的光学胶较少且不一定与玻璃基材适配；4、胶合层长时间曝露受环境影响，可能会产生老化、收缩、开裂、变色等问题，影响显示效果和产品寿命。胶合工艺流程图加热键合技术是一种将两个固体表面通过物理或者化学作用力连接起来，以得到具有一定力学、热学、电学或光学特性的键合界面的技术。分子键合工艺在分子层面使贴合层形成新的稳定的分子键，以分子作用力使贴合面紧密平整地结合在一起，从而加强键合强度、提升贴合面平整度、减小相对间距，有利于提升产品的键合良率和显示效果。此外，分子键合工艺采用自动化设备加工，可以同时完成多批次、大批量的生产，并大幅度提高生产良率。基于以上优势，分子键合工艺成为二维扩瞳产品解决技术突破和量产良率的技术保键合工艺流程图等离子激活晶圆键合键合后退火衬底移除Al₂O₃InGaAsInP维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导39胶合示意图原理将两个或两个以上的光学元件彼此吻合的光学表面，用光学胶按照一定技术要求粘结成为光学将抛光好的表面清洗后进行光胶，在较高的温度和压力下，让表面的键合膜层相互扩散，形成在超高真空环境下，对抛光好的激光元件用离子源轰击，以去除表面吸附的污染物和表面氧化层并打断表面的化学键，形成具有高表面能的界面。界面吸收损耗小优点工艺成熟且较简单消除菲涅尔反射键合强度大界面面形变化较小键合强度大界面吸收小界面面形变化小缺点逐层加工难，良率低适配胶水难找光学胶老化等问题影响显示效果和产品寿命界面吸收损耗大键合强度小界面面形变化大键合环境要求苛刻键合设备昂贵数据来源：wellsennXR整理目前几何阵列光波导通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大，图像质量包括颜色和对比度都可以达到较高水准，但在生产中仍面临着三个难点：一是耦入部分的体积难以缩小；二是阵列光波导固有的明暗条纹问题；三是量产难度大。由于制造工艺繁琐，即使每一步工艺都可以达到高良率，几十步结合起来的总良率仍较低，每一步工艺的失败都可能导致成像出现瑕疵，常见问题有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。能大规模量产的眼镜产品较少。4、核心厂商及应用产品阵列光波导方案自推出以来，技术演变呈FOV不断增大、透光率不断提高和眼镜重量不断减轻等趋势，佩戴体验不断提升。维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导40WiellsennXR阵列光波导发展历程影创发布智能眼镜Air,光学系统采用阵列光波导配合OLED显示光源，视场角为34°,是国内首款量产级双目智能眼镜。目光波导眼镜LEION,30°,眼镜整体重量为79g,基本保证佩戴的舒适性。Lumus在CES上展示了DK-Vision开发套件，一系列偏振半反射镜，充当垂直FOV和瞳孔扩展器，仅遮挡约20%的40°FOV,全高清分辨率保真度高。几何阵列光波导国外有Lumus,国内有灵犀微光、理派光晶、亮亮视野等。Lumus是位于以色列的AR眼镜光学方案厂商，一直在研发波导式AR光学方案。Lumus以反射波导为核心，以AR光学专利制造壁垒。在CES2023期间，Lumus推出了其下一代Z-LensMaximus2D波导设计，这为轻量化AR眼镜的出现铺平了道路。升级后的Z-Lens优势在于光学引擎体积减少了50%,使得终端制造商在放置波导孔径的位置上拥有更大的自由度。阵列光波导方案核心厂商及应用产品公司灵犀微光2D-40理派光晶LPM24亮亮视野L-PAT35FOV(°)亮度>3000nits/WLED500-1000nits>800nits最高分辨率模组厚度<1.5/透过率(%)重量(g)//维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导41(四)衍射光波导衍射光波导系统主要由微投影光机、波导元件以及衍射光栅组成，利用衍射光栅的衍射特性来设计光路。其中微投影光机影响显示画面的图像质量，波导元件负责显示画面的衍射光波导原理为微投影光机将微型显示屏发出的光准直为平行光后，朝耦入区域投射，经耦入区域耦入到波导中，以全反射(TIR)形式向前传播，多次全反射后经耦出区域在AR光学中，彩色显示是用户的主要需求之一。不同的光学方案由于使用的光学部件不同，也存在一定差异。其中棱镜方案、离轴透镜方案、Birdbath方案、几何光波导方案都是基于光的反射原理，所以全彩化显示主要基于屏幕的彩色显示；而衍射光波导基于光的衍射原理，不同的波长存在不同的衍射角度，全彩化显示需要在波导结构和微投影光机在波导结构上，单层的光波导只能显示较窄的视场，不同波长的光在衍射光栅中的衍射角度也不同，会导致不同颜色的光在人眼中形成不均匀的影像，即彩虹效应。通过多层彩虹效应示意图维深wellsennXR内容专题报告：从离轴透镜到光波导42但多层波导实现彩色显示也有相应的技术难点：一是角度均匀性和位置均匀性匹配问题，不同的波长在耦入区域具有不同的衍射角度，而在耦出区域中有相同出射方向的要求，所以在角度和位置上需要做到合理的匹配；二是不同波导的衍射效率匹配问题，不同波长的光衍射效率不同，存在不同程度的色散和能量浪费，不同的衍射效率，会导致部分颜色过亮或过暗的现象；三是重量和厚度的问题，多层波导会增加系统的厚度和重量，降低了佩戴舒适性。在微投影光机上，衍射光波导基于光的衍射原理，其光学效率较低，因此需采用具有较高亮度的光引擎，如LCoS、DLP、LBS,但这些光引擎体积较大，难以符合AR眼镜呈轻薄的发展趋势。而MicroLED基于高集成电路工艺，具有亮度高、尺寸小、功耗低等优势，更契合光波导的发展理念，逐渐成为光波导搭配的首要选择。但MicroLED在单色显示上较为成熟，在全彩化显示上仍处于研发验证阶段，且存在多条技术发展路径，主要分为单片全彩和三片全彩。单片全彩方案采用量子点或堆叠等技术，如部分初创企业使用量子点(QD)进行色彩转换从而实现彩色化MicroLED。量子点是一种尺寸极小的晶体颗粒，其光学性质在于受到激发后，会发出不同颜色的高质量单色光，通过控制晶体颗粒的尺寸大小，可实现不同颜色光的控制。利用单色MicroLED+量子点激发光的方式，可实现基于红、绿、蓝三色光的全彩化显示。但是这种色彩转换方法的最大亮度和器件寿命都有很大限制，原因是量子点寿命会随着激发光通量密度和MicroLED结温的增加而显著降低。其他基于外延的三色集成技术，如多色外延层、选择性区域外延、再生长、纳米结构和3D结构等技术路径，尚未有像素间距小于10um的原型展示。全彩化显示方案示意图单片全彩