VR/AR：元宇宙基礎設施的重要入口

    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象級話題。國內外科技巨頭爭相布局，以期搶奪先機。

    國外，扎克伯格6月在內部演講中稱希望未來5年能轉變為元宇宙公司，為了元宇宙戰略，更是在10月末將公司名改為“Meta”。國內，字節跳動最為積極，在VR方面，8月末，字節跳動耗資逾90億元收購Pico，引發行業震動；在AR方面，10月下旬，字節跳動被爆投資光舟半導體，該公司主要研制光波導和光引擎等產品。針對元宇宙，騰訊則提出了“全真互聯網”的概念，并密集申請注冊元宇宙相關商標，阿里、網易、百度等互聯網巨頭也都先后注冊了VR或者元宇宙商標。圖片Facebook改名為“Meta”，積極布局元宇宙

    各行各業都在熱議元宇宙，并就如何實現元宇宙宏圖推出了各自的戰略。那么，如何才能推開元宇宙的大門？頭戴顯示技術被認為是元宇宙基礎設施的重要入口。

    經過多年發展，VR的軟硬件生態及體驗已逐步完善趨向成熟，消費級VR設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發展則才剛剛步入快車道，主要是因為消費級AR設備的技術實現難度更高，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、浮雕光柵光波導、全息光波導等。AR光學技術也在不斷尋求突破，其中全息光波導由于可實現大視場角、高透過率、大出瞳直徑、輕薄化、量產成本可控等優勢，被認為是未來AR設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創企Akonia Holographics，未來，蘋果的消費級AR眼鏡極大可能采用全息光波導技術，這無疑是一個風向標；同時，全息光波導也獲得了產業巨頭及資本的青睞，11月4日，美國全息光波導創企 DigiLens宣布已完成D輪第一階段融資，估值超5億美元。

光波導技術的瓶頸及挑戰

    經過多年發展與迭代， 目前AR眼鏡的光學解決方案如下圖所示，主要分為宏觀光學方案、微光學方案和納米光學方案三大類。

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

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

    納米光學解決方案包括超透鏡和超表面反射器解決方案，主要基于納米微結構的相位調制。

AR眼鏡光學解決方案分類

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

    目前，行業內已經或準備應用的光學方案主要有：自由曲面、幾何陣列光波導、浮雕光柵光波導、全息光波導。自由曲面是如今AR眼鏡中比較主流和代表性的技術方案，在顯示效果、可量產性、性價比和加工工藝上等評價維度上均已實現相對最優，相關研發技術難點已經被攻克，將在3-5年內得到廣泛的應用。光波導中的三類產品方向——幾何陣列光波導、浮雕光柵光波導、全息光波導分別有各自的特點與技術難點。

    其中，幾何陣列光波導由于技術發展相對較早，目前國內外已有多家公司推出相關產品，其中最具代表的是以色列的Lumus公司。今年5月，近眼顯示光學專家卡爾·古塔格在KGonTech上發表了一篇評測文章，他將Lumus最新的Maximus AR眼鏡原型機（二維擴瞳陣列光波導）與微軟HoloLens2（浮雕光柵光波導）作了對比分析，結論認為單從顯示效果上看，Maximus比HoloLens2有明顯的優勢。

    目前看來，幾何陣列光波導有三大優點，一是透視方向視場角大、透過率高、出瞳直徑大；二是波導片前面不漏光，從波導片前面看不到圖像，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，生產加工良率較低，生產成本高。

AR眼鏡光學方案性能指標對比示意圖

    而浮雕光柵光波導總體來看，優缺點基本類似，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備。優點是，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；量產價格適中，制造成本比幾何光波導低，這或許是微軟HoloLens選用浮雕光柵光波導技術的原因之一。但浮雕光柵光波導由于前端光刻母版工藝和制造設備需要，加工成本還是相對很高。

    全息光波導由于在設計及加工上，無需納米光刻機設備，只需要在基片上涂敷一層全息涂層，然后通過激光曝光，即可實現同樣效果，大大節省了加工制造的成本，并可以快速大規模制造，因此在研發和生產制造上具有更高的性價比。而且，全息光波導由于設計及工藝上的特點，只需一片鏡片就可以三色合色實現全彩成像，而浮雕光柵光波導通常需要三層鏡片實現彩色。因此，相比浮雕光柵，全息光波導技術能讓AR眼鏡做到更輕薄更接近普通眼鏡形態。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，總結對比下幾大光學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＞全息光波導＞浮雕光柵光波導（＞表示優于）；從制造成本看，自由曲面＞全息光波導＞浮雕光刪光波導＞幾何光波導（＞表示優于）。

    最后，從整體產業視角來看，不管是宏觀光學中的幾何陣列波導，還是微光學中的浮雕光柵光波導、全息光波導，未來如果想進一步發展和實現量產，還需要解決好以下幾項挑戰。

    首先是要有好的基礎材料，如開發全息光波導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）；浮雕光柵光波導在納米壓印光柵結構時，需要高性能的光刻膠，以及高折射率的玻璃材料，實現更大的視場角。其次是技術和工藝問題，比如目前衍射光波導受加工工藝限制，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產品

    一直以來，耐德佳一方面優化和完善自由曲面的設計、制造、裝調工藝，同時也積極研發和儲備光波導相關技術，持續探索相關技術并儲備了大量開發經驗。近日，耐德佳面向未來消費級場景需求，研發推出二維單綠色全息光波導和一維全彩色全息光波導兩款全息波導產品，并正在推進二維全彩色全息光波導的研發。

耐德佳二維全息光波導產品光路示意圖

耐德佳二維單綠色全息光波導樣品實拍圖

耐德佳一維全彩色全息光波導樣品實拍圖

    耐德佳推出兩款全息光波導產品，對公司及行業來說都具有重要意義。公司層面，在自由曲面技術取得領先后，持續為行業提供有價值的產品，耐德佳開始在微納光學技術領域進行技術攻堅，基于深厚的技術積累，耐德佳從全息材料、微光學設計方法、制造工藝取得了一系列新突破，占領技術制高點。行業層面，經過調研與測試，光波導技術方案中，從設計研發和生產成本上考慮，全息光波導更具競爭優勢，更具量產性。目前來看，全息光波導比浮雕光柵光波導在研發生產投入上具有更好的性價比，相信未來在設計研發、光學器件材料、工藝制造等產業上下游各環節的共同努力及攻關下，隨著技術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品，成為通往元宇宙重要基礎設施。