基于阵列光波导技术的AR光学模组技术

光学作为AR智能眼镜最核心的技术之一,决定着产品体积重量、外观设计、佩戴体验、产品定位和应用场景等,重要性不言而喻。AR眼镜的光学部分 ，就是智能手机的屏幕。早期的AR产品，类似于3G时代的手机屏幕，亮度低，可视角小，笨重，耗电。以不同的光学技术为核心制造出来的AR眼镜，存在着相当大的差别，没有一个统一的产品形态，内容、平台等等的生态只是没有基础的空中楼阁。 AR光学是创业团队能突围而出的领域，是VC投资的热点，也是这整个文章的重心所在。

现有的AR眼镜方案，无论是工业级AR眼镜还是消费级AR眼镜，硬件差异基本可以总结为微显光引擎模组、光学显示模组、感知&计算模组三大部分各方案组合的量产成本、量产可行性和良率。就光学显示模组而言，不同品牌AR眼镜所采用的显示方案不同，目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导（Lightguide）方案。 自由曲面和BirdBath，业界已经看到了它注定被淘汰的未来。2022以来，BirdBath的伪AR眼镜已经基本没有门槛，除了Nreal和雷鸟两家全自研光引擎、Nreal自建光引擎组件工厂，其他不是用惠牛就是视涯的现成光机模组。 光波导方案在清晰度、可视角度、体积等方面均具优势，而且光波导的镜片可以做到2毫米以下，加上光机的综合体积可以做到非常小巧，在AR眼镜的ID设计上是最接近普通眼镜外观的，实现最小化遮挡用户视野，大幅提升了AR眼镜全天候佩戴的可行性，接近于光学透视（OST）类AR可穿戴设备的最佳选择。

基于波导技术的AR眼镜，一般由显示模组、波导和耦合器三部分组成，所使用的光波导技术总体上可分为几何波导方案（Geometric Waveguide）和衍射光波导方案（Diffractive Waveguide）两种。 前者基于几何光学的全反射原理，利用光学冷加工工艺，成像质量更佳；后者属于衍射光学范畴，基于微纳米结构的特定光栅来传播，光栅结构可更灵活地实现扩瞳等用途。偏振阵列波导方案的光效率高于衍射光波导，且具有大视场、大眼动范围和色彩均匀性好等的优点，可以实现多通道的光传输和集成，易于制造和集成，具有较高的耦合效率和传输效率，可以通过设计不同的波导参数实现不同的光学性能。但由于偏振阵列波导本身工艺的复杂性，在设计和加工均有很高的技术壁垒，如分光膜阵列镀膜工艺不够完善，分光面表面平整性、精度要求高，排布密度较高，制造成本相对较高。 2022年年底谷东科技发布了全新产品5G一体式阵列光波导AR眼镜。在小米、OPPO、李未可都做的是单绿色Micro LED+衍射光波导的情况下，谷东科技选择了光效更高的阵列光波导和体全息光波导两种最新技术优势的X系列混合光波导技术，实现了全彩显示、高透光的工业级AR眼镜。

C2000S基于阵列光波导技术的AR光学模组已就透光度和光学利用率实现突破，普遍透光率可达81.5%，近乎裸眼观察，能最大限度的保障作业安全。   业内光效最高的光波导技术 国内的大部分AR整机厂商，都是初创企业，技术和资源都不可能和微软、Magic Leap相比。主要是利用国内完善的加工产业链，推出自己的整机产品，但掌握核心部件的研发能力并不多。目前看来，国内的AR整机厂，优劣还是看产品化的能力，和2B/2G的市场能力。 谷东坚持自主研发，经过精确的模拟计算，得到特定规格的光束来做曝光，过程中所使用的激光光强、主频率、带宽、相干性，以及材料的配方、曝光环境都是根据材料的特点通过真实的全息实验寻找最佳参数，因此这也提升了技术的研发难度和市场垄断性。

最近发布的几款AR新品中几何光波导和衍射光波导都有涉及，看出不同厂商对光学方案的选择有不同考虑。光学方案的选择基本从成本（预计量产成本）、技术壁垒、技术研究的复杂以及专利等壁垒、成熟度（技术与量产的距离）、硬件舒适度、成像效果等几个维度来进行考量。（图为国内主流AR友商的光学方案及量产水平）

 

MP：规模量产 PT：产品原型已完成 ODM：由第三方设计 图源：HTC VIVE X加速器     成像效果方面，优质的波导显示需要高亮度、宽视野、出色的色彩保真。谷东科技首创自主知识产权七折叠、十二面体光机专利技术，做出了业内最高亮的基于OLED的阵列光波导产品，其光效在市场上具有绝对领先优势。在同等条件下，谷东科技光波导产品的显示亮度可达到业界同行的4~5倍。 技术壁垒方面，从设计、研发、工艺再到生产，每一环节都掌握多项关键技术。

5年来，谷东科技已经获得核心技术专利120余项，所采用的光波导AR显示方案在工艺和可量产性方面赶超世界水平。   核心参数方面，谷东科技光波导在轻薄、高透、全彩显示的基础上扩大了Eyebox，高透过率81.6%、出瞳距35mm、最低功耗220毫瓦可达450nit入眼;高对比度100000:1;-40 ℃-80 ℃，大视场46 °-60 °低成本、高迭代速度、大出瞳尺寸25X25mm ，显示效果保持业界领先水平。 在量产方面，谷东科技坚持从研发阶段开始就将工艺进行拆分细化，建立了一套可控的量产供应链体系，通过长时间的工艺实验制定了严格制程管控和测试标准，实现了多款基于阵列光波导技术的AR光学模组的量产，而且量产良率以及成本控制均领先于同行。年产能达到80-100万片，体全息波导达到小批量试产阶段，能够满足部分客户使用。

  谷东科技阵列波导与体全息光栅波导AR光学模组

谷东科技自主研阵列光波导和体全息光学产品，以无光机光波导显示、混合高光效大视场显示填补行业技术空白。自主创新的光路设计、算法，搭配特殊材料工艺，有效解决同行产品常见的杂像、条纹感、鬼像、畸变、色散等疑难问题。高光效、高透过、长出瞳距等技术特点，有效满足各类使用需求。

AR光学模组M3043

M3043为Top-down结构，水平视场完全无遮挡，消除安全隐患，标配LCOS作为像源，分辨率可达到1920*1080，提供接近人眼极限分辨能力的光学解析力，画质清晰细腻，图像反差锐利，不会有颗粒感。基于晶体材料的各向异性特性实现了光学器件的复用，将原本在光波导内朝一个方向传播的光线折叠成7段，使投影光机单元体积缩小85%。该光学模组视场角可达43度；出瞳距离可达22mm；具有高对比度1000：1；而且光效高，入眼亮度高达1500nit，完全适用于户外环境下的安防、应急、电力、能源等行业。另外，该模组采用特殊选择的材料和工艺搭配，有效解决了同行产品固有的杂像、条纹感、鬼像、畸变、色散等疑难问题。同时，波导镜片自主设计，委外加工，工艺可控，透光率大于85%，镜片厚度为2毫米，并已量产，通过最优的材料选型、加工工艺，以及最优的全自动一体化膜系设计，可保证材料、加工的一致性，所以产品出品良率业内最高。 该模组真正集合了光波导模组极薄、极轻、极高的色彩还原等所有优势，并将其性能发挥到极致。此外，谷东科技公司对产品的检测有着超严格的环境测试标准，面对极端高、低温环境，以及高湿度和持续盐雾侵袭，该光学模组都能可靠性稳定工作。

    谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组M3043

AR光学模组M2026

M2026为侧入式结构模组，更适用于眼镜形态。该模组采用高亮度、高对比度（100000：1）、低功耗的0.23英寸OLED作为显示器，无屏幕感，产品寿命长。模组视场角为26度；出瞳距离为22mm；光学畸变<2%。体积小巧、轻量化设计，模组净重12g左右。

    谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组M2026

  AR光学模组M2026E

M2026E视场角为26度；出瞳距离为18mm。相较于M2026，具有更小的光机尺寸以及更轻的重量（约为9g），产品配戴体验感更佳。

  谷东科技-基于偏振阵列波导技术的光学模组M2026E。  

 基于体全息光栅波导的AR光学模组

M3046H-S/F是基于体全息光栅波导技术设计的AR光学模组，视场角为46度，亮度大于300nit。其波导传输装置中的耦入/耦出光栅为两个成镜像对称制作的彩色体全息光栅。该彩色体全息光栅为反射型体全息光栅，基于角度/波长复用技术制作而成。反射型体全息光栅具有更小的衍射带宽，可最大限度消除颜色串扰问题。

在体全息光栅制造过程中，采用全息材料曝光方法将RGB三色合一到一片衍射波导上，利用相干记录，衍射复现的原理将图像传到人眼显示。搭建精密的光路结构，编写自动控制程序，严格控制感光材料曝光前后的收缩比，保证体全息光栅的衍射效率以及出射光亮度的均匀性。同时，该光学模组为单片集成式的彩色体全息光栅波导，可实现单片式波导全彩色传输，使波导镜片更轻薄，重量更轻，而且不会出现三片式或两片式波导传输需要后期校准问题，还可有效降低制造成本。 该产品远比微软的三层、MagicLeap、Waveoptics、鲲游光电的两层衍射光波导光效更高，色散更少，佩戴体验感更好。图是谷东科技研发的单层全彩色体全息光栅波导相应的显示效果。

体全息光栅波导方案利用全息光栅来作为光线的耦入/耦出装置，其将波导的全反射特性和全息光栅的衍射特性相结合，可实现大视场、大出瞳图像输出，从而被应用于新一代头盔显示系统中，相对于传统的阵列光波导，全息光波导可有效降低显示系统的厚度和重量。此外，体全息光栅作为一种通过光学曝光得到的体全息光学元件，有着集成其他光学器件功能的可能性，比如可以将显示模组中的准直镜集成进来，使入耦合器同时具有耦合和准直的功能。 在全息行业深耕多年，谷东科技完成了高衍射效率、高透过率、低色散的可实现单片全彩传输的体全息光栅波导样片的制备，已在体全息的研制方面具有雄厚的理论和工艺沉淀，掌握了体全息光波导的研制要点，并建有了千级洁净室、气动制作平台等，经多轮验证，已具备一维及二维单片超薄体全息光波导大批量量产的能力。    

编辑：黄飞