科技前沿—光学—光波导（Waveguide）技术基本分析

光波导技术

AR眼镜的成像效果决定了用户体验，而镜片的光学系统便是决定AR眼镜成像效果的关键。与VR头显“凸透镜+显示屏”的光学系统不同，AR眼镜的光学系统由图像源器件与显示镜面两个主要配件构成。根据vittimes数据，AR眼镜结构较为简单，其中光学显示模组成本占AR眼镜总成本的50%以上，可见光学系统的性能AR眼镜的成像效果至关重要。

根据AR眼镜所用光学原理不同，图像源器件和显示镜面有多种组合，常见方案主要为以下4大类，其中光波导(Waveguide)与全息反射投影是AR行业内使用最多的两种光学显示镜面，但也是量产难度最高的两种技术。

2012年发布的Google Glass采用棱镜+LCoS（硅基液晶）的成像方式，支持15度视场角（FOV），导致用户视野大幅受限；加之该款产品价格较高且定位不明确，所以在推出之后未取得用户认可。2015年1月，微软发布HoloLens 眼镜，通过采用光波导技术将FOV提高至30度，扩大了用户的视野范围，并通过硬件的加强提升用户体验。2019年2月，微软发布升级版AR眼镜HoloLens2，将FOV进一步提升至52度，并搭载4颗800万像素摄像头，提供2K分辨率显示器，进一步优化用户视觉体验。

光波导技术其实并不陌生，早在横跨大洋的海底光缆中就有应用。如今，随着采用光波导技术的HoloLens 1、2以及Magic Leap One产品问世，光波导逐渐被视为满足AR眼镜成像需求的主流解决方案，这主要是因为光波导能够实现光的全反射，即光机完成成像后，将光耦合进入波导的玻璃基底，通过“全反射”原理将光传输到眼镜前方，再释放出来。光波导的“全反射”在保证成像清晰、图像对比度高的基础上，还能为用户提高较大的视场角（Field of View，FOV）。

光波导在技术原理上满足了AR眼镜的成像需求，但其生产工艺复杂且良率低所造成的高成本，又成为众多厂商选择光波导生产AR眼镜的阻碍。而相比之下，光学棱镜的制作工艺较为简单，且技术成熟度高，因此价格较低，目前在AR眼镜中仍有广泛应用。通过对比2018年发布的四款AR眼镜可以看出，采用光波导技术的HiAR G100售价高达16998元，而采用棱镜作为光学系统等Active One与Halomini售价分别为7000元和4388元，明显低于HiAR G100。

根据当前技术路径，光波导可细分为阵列光波导与衍射光波导，其中衍射光波导又可分为表面浮雕光栅衍射光波导和全息光栅衍射光波导。衍射光波导的优点主要在于其满足了AR眼镜多维度扩瞳的需求，使其对不同脸型，不同鼻梁高度等有更好的包容性，但阵列光波导成像效果更佳。

表面浮雕光栅光波导镜片制作难度较高，但技术较为成熟，并已应用于AR眼镜。表面浮雕光栅衍射光波导的良好发展得益于传统光通信行业中的技术积累。它的设计难度主要在于衍射光栅由于结构为微纳米量级，需要用到物理光学的仿真工具。目前表面浮雕光栅衍射光波导技术的成熟度较高，微软所推出的HoloLens 1&2，以及Magic Leap均采用了此类技术。

全息光栅衍射光波导元件制作工艺更为高效，但目前仍处于研发过程。表面浮雕光栅光波导是利用材料的高峰与低谷，而全息光波导则是使用全息光学元件代替表面浮雕光栅实现光的引导。这个全息元件是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”。相比雕刻光栅，全息光波导在工艺上更高效，成本也具有明显优势，但全息光波导元件的制造参数等条件需要经过大量实验获得，无法通过光学分析反推，所以全息光波导元件技术研发难度较大。

光波导的另一方案为阵列光波导，其成像色彩丰富，对比度较高。阵列光波导成像原理是特殊镜面阵列的反复“反射-投射”，这使得耦合光传播由几何方式改变，并没有任何纳米级结构影响，因此其成像质量、色彩及对比度能达到较高水平；但其制作工艺较为繁琐，阵列中的镜面在镀膜后需要特殊胶水粘贴，再按照同一个角度切割出波导形状，即使每一层的切割都有较高的良率，但数十道工艺累计过后成品良率仍然偏低，导致单个镜片成本极高，目前在AR眼镜中使用较少。

珑璟光电实现阵列光波导模组量产，模组成本下降有望推动阵列光波导在AR眼睛中普及。2018年，国内阵列光波导生产商珑璟光电宣布实现阵列光波导光学模组量产，价格不及国外模组供应商Lumus供应价格的一半：根据36Kr数据，2018年9月珑璟光电官方价格为470美金，而Lumus的阵列光波导模组价格高于1000美金。除Lumus和珑璟光电，灵犀科技也于2018年实现了阵列光波导模组的量产。随着行业进入者增加打破技术壁垒，以及量产工艺更加标准化、稳定化，未来阵列光波导光学模组的成本或继续下降。这一趋势有望推动阵列光波导在AR眼睛中普及。

此外，阵列光波导镜片的材料创新亦有望降低产品价格。根据雷锋网信息，2018年10月，GodView宣布成功量产以新型纳米树脂为材料的阵列光波导，这一材料上的创新被称为第二代光波导技术。与玻璃镜片相比，树脂镜片重量较小，可塑性较低，加工难度更低，因此良率也更高。随着工艺成熟，树脂镜片成本或低于玻璃镜片成本。