耐德佳推出二維單綠色和一維全彩色全息光波導(dǎo)產(chǎn)品

VR/AR：元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施的重要入口

    年初，被譽為“元宇宙第一股”的Roblox，上市首日股價暴漲54%，市值超過380億美元，直接引爆元宇宙概念。時至今日，元宇宙概念更加火熱，已成為全社會討論的現(xiàn)象級話題。國內(nèi)外科技巨頭爭相布局，以期搶奪先機。

    國外，扎克伯格6月在內(nèi)部演講中稱希望未來5年能轉(zhuǎn)變?yōu)樵�宇宙公司，為了元宇宙�?zhàn)略，更是在10月末將公司名改為“Meta”。國內(nèi)，字節(jié)跳動最為積極，在VR方面，8月末，字節(jié)跳動耗資逾90億元收購Pico，引發(fā)行業(yè)震動；在AR方面，10月下旬，字節(jié)跳動被爆投資光舟半導(dǎo)體，該公司主要研制光波導(dǎo)和光引擎等產(chǎn)品。針對元宇宙，騰訊則提出了“全真互聯(lián)網(wǎng)”的概念，并密集申請注冊元宇宙相關(guān)商標，阿里、網(wǎng)易、百度等互聯(lián)網(wǎng)巨頭也都先后注冊了VR或者元宇宙商標。圖片F(xiàn)acebook改名為“Meta”，積極布局元宇宙

    各行各業(yè)都在熱議元宇宙，并就如何實現(xiàn)元宇宙宏圖推出了各自的戰(zhàn)略。那么，如何才能推開元宇宙的大門？頭戴顯示技術(shù)被認為是元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施的重要入口。

    經(jīng)過多年發(fā)展，VR的軟硬件生態(tài)及體驗已逐步完善趨向成熟，消費級VR設(shè)備出貨量今年已接近千萬級，而明年則有可能達到兩千萬級；而AR發(fā)展則才剛剛步入快車道，主要是因為消費級AR設(shè)備的技術(shù)實現(xiàn)難度更高，為了解決難題，有多種方案并存，如棱鏡、自由曲面、陣列光波導(dǎo)、浮雕光柵光波導(dǎo)、全息光波導(dǎo)等。AR光學(xué)技術(shù)也在不斷尋求突破，其中全息光波導(dǎo)由于可實現(xiàn)大視場角、高透過率、大出瞳直徑、輕薄化、量產(chǎn)成本可控等優(yōu)勢，被認為是未來AR設(shè)備真正走向消費級的高性價比方案之一。

    蘋果公司早在2018年就收購了美國全息光波導(dǎo)創(chuàng)企Akonia Holographics，未來，蘋果的消費級AR眼鏡極大可能采用全息光波導(dǎo)技術(shù)，這無疑是一個風(fēng)向標；同時，全息光波導(dǎo)也獲得了產(chǎn)業(yè)巨頭及資本的青睞，11月4日，美國全息光波導(dǎo)創(chuàng)企 DigiLens宣布已完成D輪第一階段融資，估值超5億美元。

光波導(dǎo)技術(shù)的瓶頸及挑戰(zhàn)

    經(jīng)過多年發(fā)展與迭代， 目前AR眼鏡的光學(xué)解決方案如下圖所示，主要分為宏觀光學(xué)方案、微光學(xué)方案和納米光學(xué)方案三大類。

    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

    （圖片來自：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook[J]. Light: Advanced Manufacturing. ）

    目前，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)或準備應(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、性價比和加工工藝上等評價維度上均已實現(xiàn)相對最優(yōu)，相關(guān)研發(fā)技術(shù)難點已經(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)分別有各自的特點與技術(shù)難點。

    其中，幾何陣列光波導(dǎo)由于技術(shù)發(fā)展相對較早，目前國內(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)表了一篇評測文章，他將Lumus最新的Maximus AR眼鏡原型機（二維擴瞳陣列光波導(dǎo)）與微軟HoloLens2（浮雕光柵光波導(dǎo)）作了對比分析，結(jié)論認為單從顯示效果上看，Maximus比HoloLens2有明顯的優(yōu)勢。

    目前看來，幾何陣列光波導(dǎo)有三大優(yōu)點，一是透視方向視場角大、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，保護隱私，不易暴露目標；三是色差控制較好。而其缺點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)方案性能指標對比示意圖

    而浮雕光柵光波導(dǎo)總體來看，優(yōu)缺點基本類似，目前主要瓶頸在于對加工工藝要求較高，需要使用納米壓印機等專用設(shè)備。優(yōu)點是，透視方向視場角大、透過率高、出瞳直徑大、輕薄化；缺點是色差、雜光、漏光較嚴重，亮度和色彩均勻性較差；量產(chǎn)價格適中，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，加工成本還是相對很高。

    全息光波導(dǎo)由于在設(shè)計及加工上，無需納米光刻機設(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比。而且，全息光波導(dǎo)由于設(shè)計及工藝上的特點，只需一片鏡片就可以三色合色實現(xiàn)全彩成像，而浮雕光柵光波導(dǎo)通常需要三層鏡片實現(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級之路，除了輕薄舒適外，成本及價格自然要不斷壓縮到一個消費者能接受的范圍，就目前看全息光波導(dǎo)的諸多特性可能是更適合消費級AR眼鏡的方案。

全息光波導(dǎo)與其曝光制備光路

    （圖片來自：Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook[J]. Light: Advanced Manufacturing. ）

    綜上述所，總結(jié)對比下幾大光學(xué)方案的兩項核心指標，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)，未來如果想進一步發(fā)展和實現(xiàn)量產(chǎn)，還需要解決好以下幾項挑戰(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，需要高性能的光刻膠，以及高折射率的玻璃材料，實現(xiàn)更大的視場角。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，尤其對于傾斜光柵制備，刻蝕難度大，這就需要在加工工藝上進一步突破，實現(xiàn)更高深寬比加工，同時保證納米級加工精度要求；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，就會直接影響實際的成像質(zhì)量及光效，這對廠商的制造工藝提出更高要求。

耐德佳正式推出兩款全息光波導(dǎo)產(chǎn)品

    一直以來，耐德佳一方面優(yōu)化和完善自由曲面的設(shè)計、制造、裝調(diào)工藝，同時也積極研發(fā)和儲備光波導(dǎo)相關(guān)技術(shù)，持續(xù)探索相關(guān)技術(shù)并儲備了大量開發(fā)經(jīng)驗。近日，耐德佳面向未來消費級場景需求，研發(fā)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)樣品實拍圖

耐德佳一維全彩色全息光波導(dǎo)樣品實拍圖

    耐德佳推出兩款全息光波導(dǎo)產(chǎn)品，對公司及行業(yè)來說都具有重要意義。公司層面，在自由曲面技術(shù)取得領(lǐng)先后，持續(xù)為行業(yè)提供有價值的產(chǎn)品，耐德佳開始在微納光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域進行技術(shù)攻堅，基于深厚的技術(shù)積累，耐德佳從全息材料、微光學(xué)設(shè)計方法、制造工藝取得了一系列新突破，占領(lǐng)技術(shù)制高點。行業(yè)層面，經(jīng)過調(diào)研與測試，光波導(dǎo)技術(shù)方案中，從設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)成本上考慮，全息光波導(dǎo)更具競爭優(yōu)勢，更具量產(chǎn)性。目前來看，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比，相信未來在設(shè)計研發(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，輕量級的消費級AR眼鏡不再是遠不可及的概念型產(chǎn)品，成為通往元宇宙重要基礎(chǔ)設(shè)施。