推开通往元宇宙之门,耐德佳研发两款全息光波导产品

arinchina 2021年11月23日14:46:01
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年初,被誉为“元宇宙第一股”的Roblox,上市首日股价暴涨54%,市值超过380亿美元,直接引爆元宇宙概念。时至今日,元宇宙概念更加火热,已成为全社会讨论的现象级话题。国内外科技巨头争相布局,以期抢夺先机。

国外,扎克伯格6月在内部演讲中称希望未来5年能转变为元宇宙公司,为了元宇宙战略,更是在10月末将公司名改为“Meta”。国内,字节跳动最为积极,在VR方面,8月末,字节跳动耗资逾90亿元收购Pico,引发行业震动;在AR方面,10月下旬,字节跳动被爆投资光舟半导体,该公司主要研制光波导和光引擎等产品。针对元宇宙,腾讯则提出了“全真互联网”的概念,并密集申请注册元宇宙相关商标,阿里、网易、百度等互联网巨头也都先后注册了VR或者元宇宙商标。
推开通往元宇宙之门,耐德佳研发两款全息光波导产品
Facebook改名为“Meta”,积极布局元宇宙

各行各业都在热议元宇宙,并就如何实现元宇宙宏图推出了各自的战略。那么,如何才能推开元宇宙的大门?头戴显示技术被认为是元宇宙基础设施的重要入口。

经过多年发展,VR的软硬件生态及体验已逐步完善趋向成熟,消费级VR设备出货量今年已接近千万级,而明年则有可能达到两千万级;而AR发展则才刚刚步入快车道,主要是因为消费级AR设备的技术实现难度更高,为了解决难题,有多种方案并存,如棱镜、自由曲面、阵列光波导、浮雕光栅光波导、全息光波导等。AR光学技术也在不断寻求突破,其中全息光波导由于可实现大视场角、高透过率、大出瞳直径、轻薄化、量产成本可控等优势,被认为是未来AR设备真正走向消费级的高性价比方案之一。

苹果公司早在2018年就收购了美国全息光波导创企Akonia Holographics,未来,苹果的消费级AR眼镜极大可能采用全息光波导技术,这无疑是一个风向标;同时,全息光波导也获得了产业巨头及资本的青睐,11月4日,美国全息光波导创企 DigiLens宣布已完成D轮第一阶段融资,估值超5亿美元。

光波导技术的瓶颈及挑战

经过多年发展与迭代, 目前AR眼镜的光学解决方案如下图所示,主要分为宏观光学方案、微光学方案和纳米光学方案三大类。

  • 宏观光学解决方案包括传统光学、自由曲面和几何光波导解决方案,主要基于斯涅尔折反射定律;
  • 微光学解决方案包括SRG、VHG和PVG衍射光栅解决方案,主要基于光栅的衍射效应;
  • 纳米光学解决方案包括超透镜和超表面反射器解决方案,主要基于纳米微结构的相位调制。
推开通往元宇宙之门,耐德佳研发两款全息光波导产品

AR眼镜光学解决方案分类

(图片来自:Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook[J]. Light: Advanced Manufacturing. )

目前,行业内已经或准备应用的光学方案主要有:自由曲面、几何阵列光波导、浮雕光栅光波导、全息光波导。自由曲面是如今AR眼镜中比较主流和代表性的技术方案,在显示效果、可量产性、性价比和加工工艺上等评价维度上均已实现相对最优,相关研发技术难点已经被攻克,将在3-5年内得到广泛的应用。光波导中的三类产品方向——几何阵列光波导、浮雕光栅光波导、全息光波导分别有各自的特点与技术难点。

其中,几何阵列光波导由于技术发展相对较早,目前国内外已有多家公司推出相关产品,其中最具代表的是以色列的Lumus公司。今年5月,近眼显示光学专家卡尔·古塔格在KGonTech上发表了一篇评测文章,他将Lumus最新的Maximus AR眼镜原型机(二维扩瞳阵列光波导)与微软HoloLens2(浮雕光栅光波导)作了对比分析,结论认为单从显示效果上看,Maximus比HoloLens2有明显的优势。

目前看来,几何阵列光波导有三大优点,一是透视方向视场角大、透过率高、出瞳直径大;二是波导片前面不漏光,从波导片前面看不到图像,保护隐私,不易暴露目标;三是色差控制较好。而其缺点主要是加工和工艺难度都比较高,生产加工良率较低,生产成本高。
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AR眼镜光学方案性能指标对比示意图

而浮雕光栅光波导总体来看,优缺点基本类似,目前主要瓶颈在于对加工工艺要求较高,需要使用纳米压印机等专用设备。优点是,透视方向视场角大、透过率高、出瞳直径大、轻薄化;缺点是色差、杂光、漏光较严重,亮度和色彩均匀性较差;量产价格适中,制造成本比几何光波导低,这或许是微软HoloLens选用浮雕光栅光波导技术的原因之一。但浮雕光栅光波导由于前端光刻母版工艺和制造设备需要,加工成本还是相对很高。

全息光波导由于在设计及加工上,无需纳米光刻机设备,只需要在基片上涂敷一层全息涂层,然后通过激光曝光,即可实现同样效果,大大节省了加工制造的成本,并可以快速大规模制造,因此在研发和生产制造上具有更高的性价比。而且,全息光波导由于设计及工艺上的特点,只需一片镜片就可以三色合色实现全彩成像,而浮雕光栅光波导通常需要三层镜片实现彩色。因此,相比浮雕光栅,全息光波导技术能让AR眼镜做到更轻薄更接近普通眼镜形态。既然AR眼镜要打开通往消费级之路,除了轻薄舒适外,成本及价格自然要不断压缩到一个消费者能接受的范围,就目前看全息光波导的诸多特性可能是更适合消费级AR眼镜的方案。
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全息光波导与其曝光制备光路

(图片来自:Design and manufacture AR head-mounted displays: A review and outlook[J]. Light: Advanced Manufacturing. )

综上述所,总结对比下几大光学方案的两项核心指标,从显示效果上看,自由曲面>几何光波导>全息光波导>浮雕光栅光波导(>表示优于);从制造成本看,自由曲面>全息光波导>浮雕光删光波导>几何光波导(>表示优于)。

最后,从整体产业视角来看,不管是宏观光学中的几何阵列波导,还是微光学中的浮雕光栅光波导、全息光波导,未来如果想进一步发展和实现量产,还需要解决好以下几项挑战。

首先是要有好的基础材料,如开发全息光波导需要灵敏度高的全息材料(全息材料均匀涂抹在镜片上,形成微米级别厚度的涂层);浮雕光栅光波导在纳米压印光栅结构时,需要高性能的光刻胶,以及高折射率的玻璃材料,实现更大的视场角。其次是技术和工艺问题,比如目前衍射光波导受加工工艺限制,难以制备高深宽比的光栅,尤其对于倾斜光栅制备,刻蚀难度大,这就需要在加工工艺上进一步突破,实现更高深宽比加工,同时保证纳米级加工精度要求;在纳米光栅压印过程中,需要压印工艺的提升保证压印光栅的复刻精度,以及避免压印光栅的坍塌。这些问题如果不解决,就会直接影响实际的成像质量及光效,这对厂商的制造工艺提出更高要求。

耐德佳正式推出两款全息光波导产品

一直以来,耐德佳一方面优化和完善自由曲面的设计、制造、装调工艺,同时也积极研发和储备光波导相关技术,持续探索相关技术并储备了大量开发经验。近日,耐德佳面向未来消费级场景需求,研发推出二维单绿色全息光波导和一维全彩色全息光波导两款全息波导产品,并正在推进二维全彩色全息光波导的研发。
推开通往元宇宙之门,耐德佳研发两款全息光波导产品
耐德佳二维单绿色全息光波导样品实拍图
推开通往元宇宙之门,耐德佳研发两款全息光波导产品
耐德佳一维全彩色全息光波导样品实拍图

耐德佳推出两款全息光波导产品,对公司及行业来说都具有重要意义。公司层面,在自由曲面技术取得领先后,持续为行业提供有价值的产品,耐德佳开始在微纳光学技术领域进行技术攻坚,基于深厚的技术积累,耐德佳从全息材料、微光学设计方法、制造工艺取得了一系列新突破,占领技术制高点。行业层面,经过调研与测试,光波导技术方案中,从设计研发和生产成本上考虑,全息光波导更具竞争优势,更具量产性。目前来看,全息光波导比浮雕光栅光波导在研发生产投入上具有更好的性价比,相信未来在设计研发、光学器件材料、工艺制造等产业上下游各环节的共同努力及攻关下,随着技术和工艺的迭代和成熟,轻量级的消费级AR眼镜不再是远不可及的概念型产品,成为通往元宇宙重要基础设施。

文章来源:耐德佳

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