科技巨頭押注 空間計(jì)算時(shí)代智能終端的演變方向

經(jīng)歷了PC的桌面計(jì)算、智能手機(jī)的移動(dòng)計(jì)算浪潮，以XR為代表的空間計(jì)算正成為科技巨頭押注的下一代計(jì)算平臺(tái)。

或許是在蘋果VisionPro的刺激下，Meta的步調(diào)邁的更快了，首先4月初在Reality Labs成立10周年之際，Meta發(fā)文慶祝并回顧XR業(yè)務(wù)發(fā)展歷程且暗示或?qū)⑼瞥銎煜率卓罱Y(jié)合Quest MR和Meta AI 技術(shù)的AR 眼鏡產(chǎn)品；其次，4月22日，Meta發(fā)文表示為給元宇宙建立一個(gè)更開放的計(jì)算平臺(tái)，首次向第三方制造商開放Quest頭顯操作系統(tǒng)Meta Horizon OS，微軟、聯(lián)想和華碩等知名科技公司正基于Meta Horizon OS打造新的XR硬件。在科技巨頭的推動(dòng)下，空間計(jì)算這個(gè)全新的生態(tài)正在加速形成。

據(jù)VR陀螺研究院統(tǒng)計(jì)，2023年國(guó)內(nèi)共計(jì)發(fā)布了30款A(yù)R眼鏡，手機(jī)廠商小米、榮耀、魅族，AR創(chuàng)企Xreal、雷鳥等大小廠商輪番發(fā)布AR新品，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)消費(fèi)級(jí)AR市場(chǎng)的發(fā)展。同時(shí)，據(jù)IDC咨詢數(shù)據(jù)顯示，2023年，中國(guó)AR/VR頭顯出貨72.5萬(wàn)臺(tái)。其中AR出貨26.2萬(wàn)臺(tái)，同比上漲154.4%。2023全年，AR出貨占整體中國(guó)市場(chǎng)AR/VR出貨的36.1%，創(chuàng)歷史新高，其中在第四季度AR出貨11.8萬(wàn)臺(tái)，VR出貨11萬(wàn)臺(tái)，這也是中國(guó)市場(chǎng)AR出貨量首次單季度超過VR。

此外，作為VST形態(tài)的代表，蘋果VisionPro發(fā)售初期經(jīng)歷了一段一機(jī)難求的搶購(gòu)體驗(yàn)熱潮，但由于夸張的重量導(dǎo)致的厚重感，用戶既不能長(zhǎng)時(shí)間佩戴，也無(wú)法戴出門隨心所欲使用，后期就漸漸遇冷并遭遇口碑滑鐵盧。這些現(xiàn)象無(wú)不預(yù)示著眼鏡化造型、時(shí)尚輕薄，可全天候佩戴出門的OST形態(tài)的AR眼鏡更符合未來(lái)空間計(jì)算時(shí)代智能終端的演變方向。

但更進(jìn)一步看，要想讓AR眼鏡在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)進(jìn)一步大展身手，關(guān)鍵在于——AR光學(xué)顯示技術(shù)的突破。

突破卡脖子技術(shù)難題 谷東科技成功自研光刻膠材料

AR行業(yè)的發(fā)展很大程度上受限于光學(xué)顯示技術(shù)，而光學(xué)顯示技術(shù)的瓶頸核心在于材料。

為從根本上解決這一困擾行業(yè)的難題，谷東科技決定自研光刻膠材料。2021年初，谷東科技開始立項(xiàng)投入光刻膠材料的研究；2022年，實(shí)現(xiàn)了分層RGB光刻膠材料的研發(fā)；2023年進(jìn)入材料小規(guī)模試產(chǎn)，并應(yīng)用在近眼顯示領(lǐng)域；2024年，開始探索更多應(yīng)用方向，例如車載AR-HUD、高端防偽等。

經(jīng)過科研人員近3年潛心研發(fā)，通過每個(gè)月驗(yàn)證上百個(gè)光刻膠配方，谷東材料團(tuán)隊(duì)最終找到了更合適的配方和工藝參數(shù)，在RGB光刻膠材料技術(shù)研發(fā)上取得了重要突破，成功研發(fā)出基于二階反應(yīng)的第三代顯示光刻膠材料。

“光刻膠材料研發(fā)的難點(diǎn)在于配方設(shè)計(jì)，需要材料達(dá)到成膜時(shí)又要具有較高的折射率調(diào)制度?！惫葨|科技光刻膠材料研發(fā)負(fù)責(zé)人表示，加上國(guó)內(nèi)在高折材料領(lǐng)域的研究和投入比較少，給材料研發(fā)也增加了不少難度。

這項(xiàng)材料技術(shù)使得薄膜材料的衍射效率達(dá)到了90%以上，材料的折射率達(dá)到了0.04，優(yōu)于國(guó)際知名材料科技公司科思創(chuàng)的單綠材料性能，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。這項(xiàng)技術(shù)突破意味著，谷東科技自研光刻膠材料成功打破了國(guó)內(nèi)該類型材料長(zhǎng)期被國(guó)外卡脖子的現(xiàn)狀，多項(xiàng)性能指標(biāo)甚至大幅領(lǐng)先國(guó)際頂尖材料廠商，有效解決了國(guó)內(nèi)材料長(zhǎng)期依賴國(guó)外供應(yīng)的問題。

同時(shí)，這項(xiàng)材料在光學(xué)性能上也有顯著提升，具有極易成膜、環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性好、加工保存容易等特點(diǎn)。由于其光敏特性好，不需要大功率激光器等，具備大面積、低成本制備的條件，不僅可用于制造消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的光學(xué)顯示模組，為AR眼鏡的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障，還可擴(kuò)展到車載AR-HUD、全息光柵等應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)悉，因其優(yōu)異的性能表現(xiàn)（提升AR-HUD的清晰度和成像質(zhì)量），很多給大型汽車廠配套HUD的企業(yè)對(duì)該材料充滿期待并表達(dá)了誠(chéng)意合作的需求。隨著AR-HUD技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用普及，它無(wú)疑將成為未來(lái)所有汽車的一個(gè)標(biāo)配，預(yù)計(jì)未來(lái)，AR-HUD市場(chǎng)將形成一個(gè)千億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。

輕薄化、更美觀、顯示優(yōu)、易量產(chǎn)

全球首發(fā)：?jiǎn)喂鈾C(jī)雙目合像體全息光波導(dǎo)方案

一款真正To C的消費(fèi)級(jí)AR眼鏡應(yīng)該滿足哪些條件？輕薄時(shí)尚、眼鏡化造型、顯示效果好、性價(jià)比高、全天候佩戴不難受，是許多C端用戶購(gòu)買時(shí)考慮的因素。目前市場(chǎng)上的AR光學(xué)顯示方案里，只有Micro-LED+衍射光波導(dǎo)方案能較好地滿足這些用戶需求，代表產(chǎn)品有魅族MYVU、INMO Go、李未可等AR眼鏡產(chǎn)品。

因加工工藝不同，衍射光波導(dǎo)又分為表面浮雕光柵光波導(dǎo)和體全息光波導(dǎo)。表面浮雕光柵工藝需要用光刻工藝做出機(jī)械型光柵模具，再轉(zhuǎn)印到玻璃上的樹脂薄膜形成光柵。這種采用機(jī)械方法加工納米精度的光柵損耗很大，加上光刻機(jī)等加工設(shè)備的投入和工藝流程很長(zhǎng)，導(dǎo)致這種工藝做出的光波導(dǎo)成本很高，而體全息的加工方法則是利用激光干涉條紋在玻璃表面的光刻膠薄膜上曝光出光柵。這種直接用激光加工納米級(jí)光柵、沒有中間加工步驟的方法簡(jiǎn)單且可靠性高，成本更低，而且產(chǎn)品尺寸不受晶圓形狀和尺寸限制，可輕易制作成各種眼鏡化形態(tài)。更為重要的是，體全息光波導(dǎo)沒有浮雕光柵光波導(dǎo)鏡片前的漏光現(xiàn)象，保護(hù)了顯示的私密性。

體全息光波導(dǎo)優(yōu)勢(shì)這么顯著，為什么沒有被廣泛應(yīng)用呢？核心還是上文提到的光刻膠材料問題，如果沒有合適的光刻膠材料，是做不成視場(chǎng)角大、明暗均勻、亮度高、顯示效果好的體全息光波導(dǎo)片的。

近日，得益于在光刻膠材料上的技術(shù)突破，谷東科技研制出了顯示效果（亮度和對(duì)比度）勝過表面浮雕光柵光波導(dǎo)的體全息光波導(dǎo)片，率先解決了長(zhǎng)期困擾體全息光波導(dǎo)的應(yīng)用難題。

圖片谷東科技體全息光波導(dǎo)顯示效果圖

眾所周知，相比單目，雙目AR眼鏡更符合人眼三維顯示的視覺習(xí)慣，但雙目AR 眼鏡需要兩個(gè)波導(dǎo)片和兩個(gè)光機(jī)，而光機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)高于波導(dǎo)片，那么，有沒有方法將AR眼鏡光機(jī)的成本也降低呢?

為此，谷東科技光學(xué)團(tuán)隊(duì)通過自研設(shè)計(jì)與仿真算法，得以快速驗(yàn)證方案可行性，并將優(yōu)化迭代效率最大化，成功在全球范圍內(nèi)率先推出：更適合C端消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的光學(xué)顯示技術(shù)——單光機(jī)驅(qū)動(dòng)雙目合像體全息衍射光波導(dǎo)方案，即僅用一臺(tái)光機(jī)驅(qū)動(dòng)雙目顯示模組，不僅省去了一個(gè)光機(jī)的成本，還將光機(jī)從鏡腿兩側(cè)移至眼鏡中間大幅降低了鏡腿厚度，造型更美觀，讓AR眼鏡更接近普通眼鏡形態(tài)，提升了佩戴舒適度，并實(shí)現(xiàn)了極佳的顯示效果。同時(shí)，谷東科技解決了雙目合像等行業(yè)難題，打通上下游制作全鏈路，使單光機(jī)一拖二體全息光波導(dǎo)整體制備工藝達(dá)到成熟完善的水平，讓低成本、良率更高、量產(chǎn)性高的光波導(dǎo)顯示技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)突破也有助于AR廠商推出接近普通眼鏡造型、輕薄時(shí)尚好看、佩戴舒適、性價(jià)比高的消費(fèi)級(jí)AR眼鏡產(chǎn)品。

未來(lái)，谷東科技希望聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作伙伴推廣第三代顯示光刻膠材料和單光機(jī)雙目合像體全息光波導(dǎo)顯示技術(shù)，探索更多潛在應(yīng)用方向，為消費(fèi)級(jí)AR眼鏡、車載AR-HUD等市場(chǎng)創(chuàng)造新一輪的發(fā)展機(jī)遇。

來(lái)源：谷東科技

宏觀光學(xué)解決方案包括傳統(tǒng)光學(xué)、自由曲面和幾何光波導(dǎo)解決方案，主要基于斯涅爾折反射定律；

微光學(xué)解決方案包括SRG、VHG和PVG衍射光柵解決方案，主要基于光柵的衍射效應(yīng)；

納米光學(xué)解決方案包括超透鏡和超表面反射器解決方案，主要基于納米微結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制。

AR眼鏡光學(xué)解決方案分類

目前，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)或準(zhǔn)備應(yīng)用的光學(xué)方案主要有：自由曲面、幾何陣列光波導(dǎo)、浮雕光柵光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)。自由曲面是如今AR眼鏡中比較主流和代表性的技術(shù)方案，在顯示效果、可量產(chǎn)性、性價(jià)比和加工工藝上等評(píng)價(jià)維度上均已實(shí)現(xiàn)相對(duì)最優(yōu)，相關(guān)研發(fā)技術(shù)難點(diǎn)已經(jīng)被攻克，將在3-5年內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。光波導(dǎo)中的三類產(chǎn)品方向——幾何陣列光波導(dǎo)、浮雕光柵光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)分別有各自的特點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)。

其中，幾何陣列光波導(dǎo)由于技術(shù)發(fā)展相對(duì)較早，目前國(guó)內(nèi)外已有多家公司推出相關(guān)產(chǎn)品，其中最具代表的是以色列的Lumus公司。今年5月，近眼顯示光學(xué)專家卡爾·古塔格在KGonTech上發(fā)表了一篇評(píng)測(cè)文章，他將Lumus最新的Maximus AR眼鏡原型機(jī)（二維擴(kuò)瞳陣列光波導(dǎo)）與微軟HoloLens2（浮雕光柵光波導(dǎo)）作了對(duì)比分析，結(jié)論認(rèn)為單從顯示效果上看，Maximus比HoloLens2有明顯的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前幾何陣列光波導(dǎo)有三大優(yōu)點(diǎn)，一是透視方向視場(chǎng)角大、透過率高、出瞳直徑大；二是波導(dǎo)片前面不漏光，從波導(dǎo)片前面看不到圖像，保護(hù)隱私，不易暴露目標(biāo)；三是色差控制較好。而其缺點(diǎn)主要是加工和工藝難度都比較高，生產(chǎn)加工良率較低，生產(chǎn)成本高。

AR眼鏡光學(xué)方案性能指標(biāo)對(duì)比示意圖

而浮雕光柵光波導(dǎo)總體來(lái)看，優(yōu)缺點(diǎn)基本類似，目前主要瓶頸在于對(duì)加工工藝要求較高，需要使用納米壓印機(jī)等專用設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是，透視方向視場(chǎng)角大、透過率高、出瞳直徑大、輕薄化；缺點(diǎn)是色差、雜光、漏光較嚴(yán)重，亮度和色彩均勻性較差；量產(chǎn)價(jià)格適中，制造成本比幾何光波導(dǎo)低，這或許是微軟HoloLens選用浮雕光柵光波導(dǎo)技術(shù)的原因之一。但浮雕光柵光波導(dǎo)由于前端光刻母版工藝和制造設(shè)備需要，加工成本還是相對(duì)很高。

全息光波導(dǎo)由于在設(shè)計(jì)及加工上，無(wú)需納米光刻機(jī)設(shè)備，只需要在基片上涂敷一層全息涂層，然后通過激光曝光，即可實(shí)現(xiàn)同樣效果，大大節(jié)省了加工制造的成本，并可以快速大規(guī)模制造，因此在研發(fā)和生產(chǎn)制造上具有更高的性價(jià)比。而且，全息光波導(dǎo)由于設(shè)計(jì)及工藝上的特點(diǎn)，只需一片鏡片就可以三色合色實(shí)現(xiàn)全彩成像，而浮雕光柵光波導(dǎo)通常需要三層鏡片實(shí)現(xiàn)彩色。因此，相比浮雕光柵，全息光波導(dǎo)技術(shù)能讓AR眼鏡做到更輕薄更接近普通眼鏡形態(tài)。既然AR眼鏡要打開通往消費(fèi)級(jí)之路，除了輕薄舒適外，成本及價(jià)格自然要不斷壓縮到一個(gè)消費(fèi)者能接受的范圍，就目前看全息光波導(dǎo)的諸多特性可能是更適合消費(fèi)級(jí)AR眼鏡的方案。

全息光波導(dǎo)與其曝光制備光路

綜上述所，總結(jié)對(duì)比下幾大光學(xué)方案的兩項(xiàng)核心指標(biāo)，從顯示效果上看，自由曲面＞幾何光波導(dǎo)＞全息光波導(dǎo)＞浮雕光柵光波導(dǎo)（＞表示優(yōu)于）；從制造成本看，自由曲面＞全息光波導(dǎo)＞浮雕光刪光波導(dǎo)＞幾何光波導(dǎo)（＞表示優(yōu)于）。

最后，從整體產(chǎn)業(yè)視角來(lái)看，不管是宏觀光學(xué)中的幾何陣列波導(dǎo)，還是微光學(xué)中的浮雕光柵光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)，未來(lái)如果想進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，還需要解決好以下幾項(xiàng)挑戰(zhàn)。

首先是要有好的基礎(chǔ)材料，如開發(fā)全息光波導(dǎo)需要靈敏度高的全息材料（全息材料均勻涂抹在鏡片上，形成微米級(jí)別厚度的涂層）；浮雕光柵光波導(dǎo)在納米壓印光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，需要高性能的光刻膠，以及高折射率的玻璃材料，實(shí)現(xiàn)更大的視場(chǎng)角。其次是技術(shù)和工藝問題，比如目前衍射光波導(dǎo)受加工工藝限制，難以制備高深寬比的光柵，尤其對(duì)于傾斜光柵制備，刻蝕難度大，這就需要在加工工藝上進(jìn)一步突破，實(shí)現(xiàn)更高深寬比加工，同時(shí)保證納米級(jí)加工精度要求；在納米光柵壓印過程中，需要壓印工藝的提升保證壓印光柵的復(fù)刻精度，以及避免壓印光柵的坍塌。這些問題如果不解決，就會(huì)直接影響實(shí)際的成像質(zhì)量及光效，這對(duì)廠商的制造工藝提出更高要求。

針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)AR/VR光學(xué)模組供應(yīng)商耐德佳（北京耐德佳顯示技術(shù)有限公司）在優(yōu)化和完善自由曲面設(shè)計(jì)、制造、裝調(diào)工藝的同時(shí)也積極研發(fā)和儲(chǔ)備光波導(dǎo)相關(guān)技術(shù)，持續(xù)探索相關(guān)技術(shù)并儲(chǔ)備了大量開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。近日，耐德佳面向未來(lái)消費(fèi)級(jí)場(chǎng)景需求，推出二維單綠色全息光波導(dǎo)和一維全彩色全息光波導(dǎo)兩款全息波導(dǎo)產(chǎn)品，并正在推進(jìn)二維全彩色全息光波導(dǎo)的研發(fā)。

耐德佳二維全息光波導(dǎo)產(chǎn)品光路示意圖

耐德佳二維單綠色全息光波導(dǎo)樣品實(shí)拍圖

耐德佳一維全彩色全息光波導(dǎo)樣品實(shí)拍圖

耐德佳推出兩款全息光波導(dǎo)產(chǎn)品，對(duì)耐德佳及行業(yè)來(lái)說都具有重要意義。耐德佳層面，在自由曲面技術(shù)取得領(lǐng)先后，持續(xù)為行業(yè)提供有價(jià)值的產(chǎn)品，耐德佳開始在微納光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，基于深厚的技術(shù)積累，耐德佳從全息材料、微光學(xué)設(shè)計(jì)方法、制造工藝取得了一系列新突破，占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)；行業(yè)層面，經(jīng)過調(diào)研與測(cè)試，光波導(dǎo)技術(shù)方案中，從設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)成本上考慮，全息光波導(dǎo)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，更具量產(chǎn)性。

目前來(lái)看，全息光波導(dǎo)比浮雕光柵光波導(dǎo)在研發(fā)生產(chǎn)投入上具有更好的性價(jià)比，相信未來(lái)在設(shè)計(jì)研發(fā)、光學(xué)器件材料、工藝制造等產(chǎn)業(yè)上下游各環(huán)節(jié)的共同努力及攻關(guān)下，隨著技術(shù)和工藝的迭代和成熟，輕量級(jí)的消費(fèi)級(jí)AR眼鏡不再是遠(yuǎn)不可及的概念型產(chǎn)品，成為通往元宇宙重要基礎(chǔ)設(shè)施。

HoloresinTM的第一代商業(yè)化產(chǎn)品視場(chǎng)角為25°，透光率超過90%。與較重、易碎的玻璃基底光波導(dǎo)相比，全息樹脂光波導(dǎo)更輕且不易受損，形狀處理更靈活，加工工藝更友好，顯示性能和成本也有優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比更高。在戶外、運(yùn)動(dòng)、軍事等涉及劇烈或高速移動(dòng)的場(chǎng)景中，亟需擁有樹脂光波導(dǎo)那種更安全、更耐摔耐撞的特性。此外，樹脂光波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)也為未來(lái)曲面光波導(dǎo)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

▲光粒全息樹脂光波導(dǎo)Holoresin在室內(nèi)的顯示效果

▲光粒全息樹脂光波導(dǎo)Holoresin在戶外的顯示效果

全息光波導(dǎo)對(duì)于材質(zhì)的穩(wěn)定性及質(zhì)量要求極高，需要具備高度平行且?guī)缀跬昝赖牟▽?dǎo)表面。因?yàn)楣獠▽?dǎo)的光學(xué)原理決定了光線進(jìn)入光波導(dǎo)后要經(jīng)歷很多次全內(nèi)反射，波導(dǎo)表面的任何一點(diǎn)瑕疵都可能會(huì)對(duì)成像質(zhì)量帶來(lái)指數(shù)級(jí)的影響，因此，樹脂基底的光波導(dǎo)一直都是技術(shù)高峰上難以采擷的明珠。此次光粒發(fā)布的HoloresinTM不僅攻克了這個(gè)技術(shù)難題，而且通過嚴(yán)控制造工藝和供應(yīng)鏈管理，更已具備大規(guī)模量產(chǎn)能力，即將全面上市。

光粒成立于2017年杭州西子湖畔，是一家起步于全息和微投技術(shù)，聚焦于消費(fèi)級(jí)AR產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)，其使命致力于讓智能眼鏡成為人類的新器官。光粒創(chuàng)始人來(lái)自浙江大學(xué)、康奈爾大學(xué)和特拉華大學(xué)等國(guó)內(nèi)外一流學(xué)府，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)“核心技術(shù)自主可控”有著執(zhí)著的追求，目前已掌握全產(chǎn)業(yè)鏈170余項(xiàng)中國(guó)和國(guó)際專利，全體光粒人秉承“In light we trust堅(jiān)信光明”的信念，為更好的未來(lái)持續(xù)提供更好的AR產(chǎn)品。