從AR光學開始,了解AR眼鏡

本文來自投稿，作者：梁宏恩，HTC VIVE X加速器，HTC VIVE X加速器 資深技術經理

• Magic Leap作為最早開始被人記住的AR硬體公司，迄今為止的融資總額達到了26億美元左右，它的股東包括了谷歌、高通、JP Morgan、阿里巴巴以及後來入場的日本電信NTT；

• Apple早在2013年就開始為自己的AR硬體鋪路，2018年更是直接收購了生產用於AR眼鏡上的波導反射鏡片公司 Akonia Holographics，同時也在一邊申請了200多個包括頭戴式顯示系統在內的AR硬體相關技術專利；

• 不僅國外大廠如此，國內的眾多AR硬體生產公司也在2019年年初紛紛拿到了風投，在短短的幾個月內，出現了近十筆涉及AR硬體核心技術的投資，每筆規模都在數千萬人民幣以上。

儘管所有人都認為AR會變成像智慧型手機一樣強大，但是我們至今仍未能夠在市面上看到一款令人滿意的AR眼鏡，這樣龐大的投入和關注都未能帶來一款撐得起口碑的產品，AR眼鏡的難點究竟是什麼？

AR產業鏈的關鍵部分

首先讓我們來看看AR硬體整個生態現在的情況如何。我們抽取其中最關鍵部分歸納為 光學，整機，作業系統及軟體開發工具 ，內容 。

簡單來說，AR眼鏡的光學部分 ，就是智慧型手機的屏幕。 AR（增強現實，Argumented Reality）本質上是將設備生成的影像和現實世界重疊，大部分的技術都是通過光學組件進行反射、折射、衍射，最終到你的視網膜上成像。

現在 AR 的光學，依然處於發展階段。早期的AR產品，大概類似於諾基亞年代手機的屏，亮度低，可視角小，笨重，耗電。而以不同的光學技術為核心製造出來的AR眼鏡，存在著相當大的差別，甚至可以理解為不同的物種；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。

在我們看來，AR光學一天沒有標準，不能做到大視角、輕便、省電、低成本，AR眼鏡就不可能普及。AR光學是創業團隊能突圍而出的領域，所以也是VC投資的熱點，當然也是這整個文章的重心所在。

手機產業鏈最賺錢的就是整機，目前全球範圍內，最有實力而且已經製造出最完整的AR眼鏡整機的兩大企業，分別是微軟和Magic Leap。他們不但製造整機，還開發自己的AR OS/SDK，光學模組，內容，甚至AR晶片。

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，但多數不掌握核心部件的研發能力。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。 但當AR眼鏡由2B轉變為2C市場時，手機的大廠一定會進場，2B的市場能力也不再適用。

如果未來AR眼鏡會和智慧型手機一樣的普及， AR眼鏡的OS（Operation System，作業系統）會是AR生態鏈的最頂端，就好像IOS和安卓在手機產業的地位。但目前蘋果和谷歌也沒有正式推出（再推出） AR眼鏡的產品，當然也沒有相關的OS。目前除了微軟和Magic Leap有自己AR眼鏡的 OS 外，其他大多 AR眼鏡整機的 OS，也是改自安卓。目前看起來，AR 眼鏡的OS，初創企業很難能和世界科技巨頭競爭。

從軟體開發工具（SDK，Software Development Kit）來說，雖然蘋果和谷歌沒有推出 AR 眼鏡的OS，但卻推出了手機/平板用的ARKIT和ARCore，給內容商發開發AR應用，理論上是為了 AR 眼鏡的生態建設鋪路。華為，百度，網易等也有提供類似的AR SDK。微軟和Magic Leap，也提供了其AR 眼鏡的SDK，他們的SDK，可能就是和其他國內AR整機企業的最大差別之一。沒有完善的SDK，也不會有第三方去開發；很多中國的整機商，團隊以硬體為主，能否提供完善的SDK也是一個非常重要的能力體現。

另外一個層面上來說，AR SDK的功能和傳感器相關，目前 AR 眼鏡應標配什麼傳感器也沒有定論，因此對於SDK的市場機會，目前還是言之尚早。更廣義地講，AR SDK也包括AR雲等，如美國的Ubiquity6，去年拿了近3千萬B輪，投資機會還是存在，但目前看來不多。

除了微軟和Magic Leap以外，很少獨立內容開發者為其他AR整機開發應用，原因也很簡單，微軟和Magic Leap 的AR整機加起來也沒有多少量，更不要說其他廠商了。

不少中國的AR整機廠商，會針對B端的客戶定製內容，以項目形式，軟硬體後臺系統整合的方案高價出售。因為沒有獨立內容開發者，有些整機連SDK都沒有提供，更不要說應用商店等平臺。AR的手機內容，有可能會出現爆款遊戲；但目前AR眼鏡的內容，暫時沒看到有成為殺手級應用的可能性，也代表沒有多少投資機會。

我們整理了目前市面上部分AR領域供應商，並進行了分類，通過對比可以清晰地看到目前整個行業的分布和各家所長。

通過以上的分析，我們可以清楚地看到，目前AR眼鏡的窘境是在於一個被普遍認可的產品形態仍然沒有被清晰地定義出來，其中最為關鍵的部分，就是產品所採用的AR光學。

AR光學的分類

那麼，目前市面的AR光學方案有哪些？它們的優點和缺點是什麼？

正如前文所講，AR光學在AR產業鏈裡目前最有投資看點，坊間也有一些相關AR光學的專題文章，但是普遍來講，分類過度著重如光路設計，材料等技術，一般讀者和甚至投資人難以理解。

我們嘗試以產品的外觀，成像效果，使用場景和成本等分類，再加以技術細分，讓大家更容易明白和記住。以下我們把AR光學，分成小稜鏡類，曲面反射類（大曲面，小曲面），光波導類（反射光波導，蝕刻光柵波導，全息光柵波導），小孔成像等其他類別。

I) 小稜鏡類Prism

Google Glass上使用的光學方案。通過投影到帶有切割反射面的小稜鏡上成像，光的傳播路徑上，較多採用半透半反平面和球面的反射的方式（稱為Birdbath）。也有採用其他鏡面做反射的產品，但普遍以稜鏡為主。一般視場角約20度，重量約50克。

稜鏡的光學部分成本大概只需小几十美金，方案比較成熟，技術門檻低，已經有多家廠家推出過類似產品。由於重量輕，容易布置到普通眼鏡上，在很多信息提示的應用場景中被推薦使用，例如公安執法，工業遠程協助。因為不會遮擋人眼的視線，有案例指出，工人在工業使用中認為稜鏡類方案甚至比微軟Hololens2更方便實用。

因為視場角小，小稜鏡類方案大概只能成為Apple Watch或小米手環等顯示通知的配件，是沒可能實現Magic Leap的鯨魚在體育場跳水的AR效果，和大眾對AR的期望有差距。除了個別行業應用，小稜鏡類很難會出現消費級的產品。

II) 曲面反射類Surface Reflection

曲面反射類主要利用鏡面反射的原理成像，在光傳播路徑的設計上，可採用Birdbath方式，或投影到鍍膜曲面上進行反射（稱為離軸反射）等光學方案。但以光路和組合鏡的方式來劃分對普通讀者過於複雜，所以我們只簡單分為大曲面與小曲面類。大曲面與小曲面的類別的區分其實並不嚴格，市場上有一些產品已處於分類的邊界。

1. 大曲面類Big Curved

視場角最大（110度）的光學方案，也就是前些年星戰AR頭顯的方案。成本低（小几十美元），技術成熟，良好的成像效果和超大視場角，帶來很高的沉浸體驗，但體積過大，不便於日常長時間佩戴，但用戶可以戴眼鏡，市場機會在線下AR遊戲，主題樂園，教育和工業培訓等。目標市場明顯，但技術門檻低。

（如圖：眼前一塊較大反射鏡片或蟲眼式鏡片，體積一般較大類似頭盔，覆蓋到額頭的位置，整體眼鏡向前突出）

2. 小曲面類Small Curved

接近普通眼鏡外觀的曲面反射眼鏡，市場上目前具有高性價比。小曲面類可以有稜鏡組合或鍍膜反射鏡組合，原理基本上與大曲面類似，但是得益於超小的顯示器件，垂直高度非常緊湊，集成傳感電路後，體積和厚度也可做到太陽眼鏡大小。一般地，視場角可以做到30-50度，空心的小曲面模組重量很輕只有約10克。

小自由曲面眼鏡成本較低，成像效果優良，體積也適合佩戴。使得在最近的一段時間內，出現了不少採用此方案的新產品上市，看似是未來一兩年國內AR產品主流。

不過，小自由曲面依然需要一定的厚度來形成反射鏡，所以無法最終做到如同普通眼鏡的厚度。還有大多數鏡片表面有明顯的反射圖案，影響佩戴者形象上的親切感。

小曲面模組一般單個帶顯示電路的模組價格在200美金左右。 

III) 光波導類Waveguide

光波導方案，利用光在玻璃鏡片中的全反射原理，可以做到在一塊僅為2mm厚度的鏡片上傳輸影像。產品在重量大小和形態上是最接近傳統眼鏡，長遠來說是最有潛力的消費級AR光學方案。

我們將其分為以下三類。

1. 反射光波導Reflective Waveguide

市場上最早出現的近似普通眼鏡的AR方案。反射光波導利用投影光在超薄玻璃中全反射，到特定位置反射入眼成像。視場角約30-50度，重量可以到100克以內。

反射光波導早期由於做到接近於日常佩戴眼鏡的厚度的觀感而受到高度關注。因為全色彩的反射，使得鏡片很薄的同時，成像效果清晰，色彩還原度高。

但是以色列廠商LUMUS在此方案上積累了很多的專利，國內外大部分廠家要出口產品的話，目前都很難繞過。而且陣列反射光波導因為本身工藝的複雜（玻璃的切割，鍍膜，粘貼，打磨），造成了生產良率較低，很難提高，所以單片光學模組成本較貴。

反射光波導帶顯示電路的模組價格高達數百美元。

2. 蝕刻光柵波導DOE

目前微軟和Magic Leap的AR眼鏡方案採用的光學方案。衍射光波導利用投影光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上蝕刻的光柵，發生衍射現象，折射成像。視場角目前大約30-50度，整機重量數百克。

衍射光波導只需要在鏡片上蝕刻壓印出規律性的紋理，所以可以用很小的面積來成像。也有廠家通過多層鏡片的疊加，做出多個焦距的畫面。蝕刻的工藝可以採用半導體行業成熟的製造技術，所以大批量生產時良率很高，成本遠低於幾何光波導方案。半導體工藝與設計的要求，使得技術和資金壁壘很高。

但是光的衍射會造成色散，使得畫面成像時需要按照色彩的分布規律重新繪製圖案，需要一定的算法設計能力，由於原理上的缺陷，依然會出現色彩與原圖案的差別，普遍存在色彩還原度較差的問題，畫面出現彩虹效應。

目前帶顯示電路的衍射波導模組，價格高達數百美元，但長遠來講，量產成本會逐步降低。

3. 全息光柵波導HOE

最接近普通眼鏡形態的全彩色AR眼鏡，但也是最不成熟的方案。全息光波導利用光在超薄玻璃中全反射，在特定位置遇上全息材料的薄膜，反射成像。雖然名稱中有全息，但只是利用了全息照相的原理在鏡片上製作一層薄膜，並非代表成像效果具有全息景深。一般視場角約30-40度，整機重量可以在100克以內。

全息光波導可以在曲面形狀的單層鏡片上進行曝光形成全息膜，所以可以生產出最接近傳統有曲面的眼鏡的AR產品。而且不需要大型的生產設備，成本只依賴玻璃和全息膜，可以做到最便宜的光波導方案。

但是全息鍍膜的化學一致性較難控制，而且全彩色時有圖像色彩吻合等問題，暫時沒有成熟的彩色量產產品。

全彩色的全息波導的光學鏡片，價格一般幾十美元，甚至有團隊宣稱未來可以做到接近20美元。

順便提一下，部分採用全息成像的AR眼鏡無需光波導材料作為傳播介質，直接反射成像，可稱為全息光柵透鏡技術。產品輕便度和成像效果與全息波導類產品類似。例如下圖的North Focals。

IV) 其他類別

1. 小孔組合鏡類Pinhole Mirror

異軍突起的高性價比AR方案。利用光波導與帶微結構的小孔陣列進行成像。小孔微結構可避免了一般組合鏡較複雜的合併工藝，可以在很薄的鏡片上實現，而且折射角度可以更大。視場角號稱80度，重量可以100克內。

小孔組合鏡通過波導材料傳輸圖像到幾個小孔中發生反射，完成成像，需要一定的設計能力。生產成本只依賴於鏡片與小孔加工的難度和一致性。而且小孔成像的視場角很寬，光線沒有散射現象，圖像還原度高。

目前根據看過樣品的人的反映，需要靠近到鏡片很近的位置，才可以看到成像效果，但是畫面清晰。

韓國的Letin AR是此領域的領先者，目前市場上還沒有量產產品。

 此外Vive X第二期的舊金山初創公司Kura AR近期推出了名為Gallium的AR眼鏡，其中也採用了Pinhole Mirror類的技術，號稱視場角可以做到150度。 

2. 視網膜投影

坊間有不同的名字，包括視網膜成像，雷射掃描等。

由低功率的雷射光源，通過MEMS上的鏡片掃描反射，不需要通過角膜和晶狀體聚焦，接射入視網膜成像。優點是高亮度（20000nit)，功耗超低，FOV大（70度）。

但利用雷射進行視網膜投影遇到的主要挑戰是可視範圍非常小（注意：可視範圍和可視角FOV不是同一個概念），也就是眼球稍微移動後，雷射掃描的成像點就會有所偏差 ，無法實現清晰成像。要製造成AR眼鏡，需要非常精確和快速的眼球追蹤，甚至要比目前市面上Tobii和七鑫易維還要精確十倍以上才能實現。

因為任何視網膜的損傷，都是不可逆轉的，儘管雷射的功率多低，直接用雷射投到視網膜，都是有一定的風險，最終用戶和廠家大概不太願意承擔。

我們曾經在國外親身體驗視網膜成像，和精確的眼球追蹤，光度足以在白天的天空中成像，但產品原型的體積仍然較大，基於保密原因，我們不能透露更多的信息。

如圖為日本半導體雷射器研發、製造和銷售公司QD Laser的RETISSA Display II眼鏡。

 3. See Through模式

通過VR設備的前置攝像頭採集周圍環境，再在屏幕中展示合成的圖像。優點是FOV很大，技術成熟，虛擬影像可以深度融合現實世界，舉個極端例子，你可以把眼前的女生實時換臉，換裝，這是之前所說的AR技術都做不到的。

目前主要問題是VR設備比較大，像素相比視網膜還不算高。而且重新合成圖像比肉眼觀察周圍實景有一定的延遲。但未來的VR設備會越來越輕薄高清，延遲的問題也會因算力的提升和5G而解決。See Through也有可能成為未來AR的一個強力選項。

 

4. 其他組合鏡

AR光學依然在發展階段，下圖是 SIGGRAPH 2019 上出現的NVIDIA AR光學方案，融合了稜鏡，小曲面，全息HOE等等光學組件。

 AR類產品對比

為了更好地對比，我們整理了下面這張表格，其中以消費者的角度，建立了以下幾個維度，

最後我們也整理了市場上多數整機產品的光學方案。

MP：規模量產  PT：產品原型已完成  ODM：由第三方設計 

關於HTC VIVE X加速器

HTC VIVE X加速器從2016年開始聚集AR/VR行業的早期投資，接觸近千家AR/VR創業團隊，投資過百個創業團隊，為多家VC、行業夥伴提供決策諮詢。

 Vive X 加速器得益於Vive在VR AR產業的領先地位，一直以來得到行業內很多夥伴的支持，我們有幸可以看到來自包括歐洲，以色列，美國，日本等不同公司的領先的解決方案。我們也會持續地為行業投入資源，幫助初創企業快速成長。

希望能夠通過這樣一篇文章，來讓更多的投資人以及行業夥伴了解目前AR硬體以及AR光學的發展，歡迎各位有興趣的讀者與我們交流。