基于陣列光波導技術的AR光學模組技術

光學作為AR智能眼鏡最核心的技術之一,決定著產品體積重量、外觀設計、佩戴體驗、產品定位和應用場景等,重要性不言而喻。AR眼鏡的光學部分 ，就是智能手機的屏幕。早期的AR產品，類似于3G時代的手機屏幕，亮度低，可視角小，笨重，耗電。以不同的光學技術為核心制造出來的AR眼鏡，存在著相當大的差別，沒有一個統一的產品形態，內容、平臺等等的生態只是沒有基礎的空中樓閣。 AR光學是創業團隊能突圍而出的領域，是VC投資的熱點，也是這整個文章的重心所在。

現有的AR眼鏡方案，無論是工業級AR眼鏡還是消費級AR眼鏡，硬件差異基本可以總結為微顯光引擎模組、光學顯示模組、感知&計算模組三大部分各方案組合的量產成本、量產可行性和良率。就光學顯示模組而言，不同品牌AR眼鏡所采用的顯示方案不同，目前比較成熟的增強現實技術中的光學顯示方案主要分為棱鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和波導（Lightguide）方案。 自由曲面和BirdBath，業界已經看到了它注定被淘汰的未來。2022以來，BirdBath的偽AR眼鏡已經基本沒有門檻，除了Nreal和雷鳥兩家全自研光引擎、Nreal自建光引擎組件工廠，其他不是用惠牛就是視涯的現成光機模組。 光波導方案在清晰度、可視角度、體積等方面均具優勢，而且光波導的鏡片可以做到2毫米以下，加上光機的綜合體積可以做到非常小巧，在AR眼鏡的ID設計上是最接近普通眼鏡外觀的，實現最小化遮擋用戶視野，大幅提升了AR眼鏡全天候佩戴的可行性，接近于光學透視（OST）類AR可穿戴設備的最佳選擇。

基于波導技術的AR眼鏡，一般由顯示模組、波導和耦合器三部分組成，所使用的光波導技術總體上可分為幾何波導方案（Geometric Waveguide）和衍射光波導方案（Diffractive Waveguide）兩種。 前者基于幾何光學的全反射原理，利用光學冷加工工藝，成像質量更佳；后者屬于衍射光學范疇，基于微納米結構的特定光柵來傳播，光柵結構可更靈活地實現擴瞳等用途。偏振陣列波導方案的光效率高于衍射光波導，且具有大視場、大眼動范圍和色彩均勻性好等的優點，可以實現多通道的光傳輸和集成，易于制造和集成，具有較高的耦合效率和傳輸效率，可以通過設計不同的波導參數實現不同的光學性能。但由于偏振陣列波導本身工藝的復雜性，在設計和加工均有很高的技術壁壘，如分光膜陣列鍍膜工藝不夠完善，分光面表面平整性、精度要求高，排布密度較高，制造成本相對較高。 2022年年底谷東科技發布了全新產品5G一體式陣列光波導AR眼鏡。在小米、OPPO、李未可都做的是單綠色Micro LED+衍射光波導的情況下，谷東科技選擇了光效更高的陣列光波導和體全息光波導兩種最新技術優勢的X系列混合光波導技術，實現了全彩顯示、高透光的工業級AR眼鏡。

C2000S基于陣列光波導技術的AR光學模組已就透光度和光學利用率實現突破，普遍透光率可達81.5%，近乎裸眼觀察，能最大限度的保障作業安全。 ? 業內光效最高的光波導技術 國內的大部分AR整機廠商，都是初創企業，技術和資源都不可能和微軟、Magic Leap相比。主要是利用國內完善的加工產業鏈，推出自己的整機產品，但掌握核心部件的研發能力并不多。目前看來，國內的AR整機廠，優劣還是看產品化的能力，和2B/2G的市場能力。 谷東堅持自主研發，經過精確的模擬計算，得到特定規格的光束來做曝光，過程中所使用的激光光強、主頻率、帶寬、相干性，以及材料的配方、曝光環境都是根據材料的特點通過真實的全息實驗尋找最佳參數，因此這也提升了技術的研發難度和市場壟斷性。

最近發布的幾款AR新品中幾何光波導和衍射光波導都有涉及，看出不同廠商對光學方案的選擇有不同考慮。光學方案的選擇基本從成本（預計量產成本）、技術壁壘、技術研究的復雜以及專利等壁壘、成熟度（技術與量產的距離）、硬件舒適度、成像效果等幾個維度來進行考量。（圖為國內主流AR友商的光學方案及量產水平）

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MP：規模量產 PT：產品原型已完成 ODM：由第三方設計?圖源：HTC VIVE X加速器 ? ? 成像效果方面，優質的波導顯示需要高亮度、寬視野、出色的色彩保真。谷東科技首創自主知識產權七折疊、十二面體光機專利技術，做出了業內最高亮的基于OLED的陣列光波導產品，其光效在市場上具有絕對領先優勢。在同等條件下，谷東科技光波導產品的顯示亮度可達到業界同行的4~5倍。 技術壁壘方面，從設計、研發、工藝再到生產，每一環節都掌握多項關鍵技術。

5年來，谷東科技已經獲得核心技術專利120余項，所采用的光波導AR顯示方案在工藝和可量產性方面趕超世界水平。 ? 核心參數方面，谷東科技光波導在輕薄、高透、全彩顯示的基礎上擴大了Eyebox，高透過率81.6%、出瞳距35mm、最低功耗220毫瓦可達450nit入眼;高對比度100000:1;-40 ℃-80 ℃，大視場46 °-60 °低成本、高迭代速度、大出瞳尺寸25X25mm ，顯示效果保持業界領先水平。 在量產方面，谷東科技堅持從研發階段開始就將工藝進行拆分細化，建立了一套可控的量產供應鏈體系，通過長時間的工藝實驗制定了嚴格制程管控和測試標準，實現了多款基于陣列光波導技術的AR光學模組的量產，而且量產良率以及成本控制均領先于同行。年產能達到80-100萬片，體全息波導達到小批量試產階段，能夠滿足部分客戶使用。

? 谷東科技陣列波導與體全息光柵波導AR光學模組

谷東科技自主研陣列光波導和體全息光學產品，以無光機光波導顯示、混合高光效大視場顯示填補行業技術空白。自主創新的光路設計、算法，搭配特殊材料工藝，有效解決同行產品常見的雜像、條紋感、鬼像、畸變、色散等疑難問題。高光效、高透過、長出瞳距等技術特點，有效滿足各類使用需求。

AR光學模組M3043

M3043為Top-down結構，水平視場完全無遮擋，消除安全隱患，標配LCOS作為像源，分辨率可達到1920*1080，提供接近人眼極限分辨能力的光學解析力，畫質清晰細膩，圖像反差銳利，不會有顆粒感?；诰w材料的各向異性特性實現了光學器件的復用，將原本在光波導內朝一個方向傳播的光線折疊成7段，使投影光機單元體積縮小85%。該光學模組視場角可達43度；出瞳距離可達22mm；具有高對比度1000：1；而且光效高，入眼亮度高達1500nit，完全適用于戶外環境下的安防、應急、電力、能源等行業。另外，該模組采用特殊選擇的材料和工藝搭配，有效解決了同行產品固有的雜像、條紋感、鬼像、畸變、色散等疑難問題。同時，波導鏡片自主設計，委外加工，工藝可控，透光率大于85%，鏡片厚度為2毫米，并已量產，通過最優的材料選型、加工工藝，以及最優的全自動一體化膜系設計，可保證材料、加工的一致性，所以產品出品良率業內最高。 該模組真正集合了光波導模組極薄、極輕、極高的色彩還原等所有優勢，并將其性能發揮到極致。此外，谷東科技公司對產品的檢測有著超嚴格的環境測試標準，面對極端高、低溫環境，以及高濕度和持續鹽霧侵襲，該光學模組都能可靠性穩定工作。

? ? 谷東科技-基于偏振陣列波導技術的光學模組M3043

AR光學模組M2026

M2026為側入式結構模組，更適用于眼鏡形態。該模組采用高亮度、高對比度（100000：1）、低功耗的0.23英寸OLED作為顯示器，無屏幕感，產品壽命長。模組視場角為26度；出瞳距離為22mm；光學畸變<2%。體積小巧、輕量化設計，模組凈重12g左右。

? ? 谷東科技-基于偏振陣列波導技術的光學模組M2026

? AR光學模組M2026E

M2026E視場角為26度；出瞳距離為18mm。相較于M2026，具有更小的光機尺寸以及更輕的重量（約為9g），產品配戴體驗感更佳。

? 谷東科技-基于偏振陣列波導技術的光學模組M2026E。 ?

?基于體全息光柵波導的AR光學模組

M3046H-S/F是基于體全息光柵波導技術設計的AR光學模組，視場角為46度，亮度大于300nit。其波導傳輸裝置中的耦入/耦出光柵為兩個成鏡像對稱制作的彩色體全息光柵。該彩色體全息光柵為反射型體全息光柵，基于角度/波長復用技術制作而成。反射型體全息光柵具有更小的衍射帶寬，可最大限度消除顏色串擾問題。

在體全息光柵制造過程中，采用全息材料曝光方法將RGB三色合一到一片衍射波導上，利用相干記錄，衍射復現的原理將圖像傳到人眼顯示。搭建精密的光路結構，編寫自動控制程序，嚴格控制感光材料曝光前后的收縮比，保證體全息光柵的衍射效率以及出射光亮度的均勻性。同時，該光學模組為單片集成式的彩色體全息光柵波導，可實現單片式波導全彩色傳輸，使波導鏡片更輕薄，重量更輕，而且不會出現三片式或兩片式波導傳輸需要后期校準問題，還可有效降低制造成本。 該產品遠比微軟的三層、MagicLeap、Waveoptics、鯤游光電的兩層衍射光波導光效更高，色散更少，佩戴體驗感更好。圖是谷東科技研發的單層全彩色體全息光柵波導相應的顯示效果。

體全息光柵波導方案利用全息光柵來作為光線的耦入/耦出裝置，其將波導的全反射特性和全息光柵的衍射特性相結合，可實現大視場、大出瞳圖像輸出，從而被應用于新一代頭盔顯示系統中，相對于傳統的陣列光波導，全息光波導可有效降低顯示系統的厚度和重量。此外，體全息光柵作為一種通過光學曝光得到的體全息光學元件，有著集成其他光學器件功能的可能性，比如可以將顯示模組中的準直鏡集成進來，使入耦合器同時具有耦合和準直的功能。 在全息行業深耕多年，谷東科技完成了高衍射效率、高透過率、低色散的可實現單片全彩傳輸的體全息光柵波導樣片的制備，已在體全息的研制方面具有雄厚的理論和工藝沉淀，掌握了體全息光波導的研制要點，并建有了千級潔凈室、氣動制作平臺等，經多輪驗證，已具備一維及二維單片超薄體全息光波導大批量量產的能力。 ? ?

編輯：黃飛

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