AR光學發展路徑及應用場景分析

在5G·AR（增強現實）技術應用高峰論壇上，深圳瓏璟光電科技有限公司副總經理楊紅孟以「AR光學發展路徑及應用場景分析」為主題發表了演講。楊紅孟介紹了AR市場現狀、AR光學路徑和波導光機形態，以及瓏璟光電陣列光波導生產現狀。光電陣列光波導具有自身優勢，然而其加工難點包括連續多層「半透半反」鍍膜工藝、貼合工藝、切割工藝、膠水與折射率的同步等複雜的工藝，瓏璟正在致力於解決研發、生產工藝、材料和人才方面的難點。他提出，AR落地需要具有一定的思考維度，需要綜合考慮應用場景痛點、產品形態、整機成本和光學方案選擇。目前瓏璟已經在多場景投入使用AR技術。

以下是演講實錄。

楊紅孟：

大家好，我是楊紅孟。大家都知道AR最近比較火。看整個通訊這塊的發展，從80年代開始，基本上是每十年有一個新的、大的行業的配合，從語音通話、 簡訊和上網做智慧型手機，到現在5G全面開始。

後面的話，我們認為就是AR應該是作為上一代的智慧型手機之後的下一個硬體平臺。

他有哪些特點呢？第一個是解放雙手，第二是第一視角，通過眼鏡上的攝像頭，從第一視角來進行拍攝場景。第三是信息數據化、數據可視化，AR眼鏡是連接現實世界的可移動平臺。隨著深度相機、SLAM技術的成熟，虛擬和現實也可以做到完美的結合。最後是交互更具革命性，現在手機的交互很多就是用語音或觸控，AR出來以後，實現二維交互向多維交互的轉變。

2020年整個AR市場規模還是比較小，但是根據我們本地的一個統計，在未來幾年，每年起碼會以這種（上圖）速度往前發展。你可以看到2025年全球市場預計是超過600億美金，在中國的話在19年還是很小，十幾個億，然後到了2025年應該是一個千億的市場。

目前實際上各大巨頭都在布局AR這塊，包括蘋果、微軟、Facebook、谷歌、華為，包括甚至OPPO、Vivo可能都開始在部署這塊。他們在最近這一兩年應該會陸續發行一些面向C端的AR眼鏡。

在AR發展這一塊，大家可以看到有很多國家、很多政策正在扶持。

瓏璟光電技術有限公司光電是14年成立的，專門做虛擬實境顯示模組這一塊。我們現在是做在光學設計和生產工藝方面，在這些方面我們有自己的智慧財產權，有自己的核心技術。

在國內首先實現陣列光波導的量產和批量出貨的，在顏色這塊我們也有布局。現在產品已經應用在警用、安防、工業、旅遊、醫療、營銷等多個領域應用。

AR光學路徑與光學原理

AR有幾個重要的參數，第一個是透明度，光學中指的是進行吸收外界光線的能力。第二個是視場角，即整個視場的大小。而眼動範圍指的是畫質無衰減前提下，眼球移動偏離最佳視野點的最遠距離。下一個是出瞳直徑，有些不同的應用場景對出瞳距離是有要求的，比如說我戴著近視眼鏡，要保證我能看到這個畫面。第五個是光學引擎厚度，就是鏡片的厚度，我們現在鏡片的厚度大概在1.2毫米，主要是比較接近普通眼鏡的厚度。

我們認為，整個光學發展，VR是從離軸光學開始，後來發展到Bird Bath、PBS稜鏡，六、七年前谷歌發行的眼鏡就是PBS稜鏡。還有自由曲面稜鏡這塊，現在是大家看到的最具有代表的是愛普生的那個BT-300。現在的話慢慢的採用光波導，包含陣列光波導，還有衍射光波導。光波導的厚度會做的比較薄，會更貼近我們目前眼鏡的形式。

還有未來的前沿技術，我們一些光場的技術，最近還在還是在實驗室這個階段，這個未來五年應該是還沒辦法落地的。

接下來我講下光學路徑的比較。大家看到的稜鏡這塊，它的優點是畸變小，體積小、設計起來還相對比較容易；它的缺點就是FOV比較小，會遮擋視線。你看谷歌眼鏡，旁邊一個稜鏡擋住眼睛，它鏡片比較厚，外形是比較難接受的，沒有辦法做成普通眼鏡的形式，意味著在C端是沒辦法普及的。

用稜鏡做的代表性產品是Realwear，主要是重在行業應用，就是類似技術遠程支持。還有Google Glass，六、七年前大家看到的谷歌眼鏡用的就是稜鏡。

還有第二個就是BB自由曲面，又叫Bird Bath，，它的FOV可以做得比較大；體積也還好；設計難度的話相對也是比較簡單。但是它有一個缺點就是透光率比較低，大概是25%左右。如果說這款AR眼鏡落地的話，我戴著眼鏡，在晚上是沒有辦法看到外面的世界的，因為它透光率太低，而且鏡片也會比較厚。

BB設計的話，雖然我們在側面看著ID做的比較好，看起來比較薄，實際上它是比較厚，整端的話應該超過1釐米。這一塊做得比較好的是Epson、耐德佳、Nreal、影創和Meta，

再講一下陣列光波導，它的FOV也做得比較大，顯示效果比較好。目前我們瓏璟可以做到FOV在40°以上，50°可能很快也會推出來。

陣列光波導還有一個優點是鏡片的透光率很高，超過80%，鏡片的厚度是大概做了1.2到1.5毫米之間，我們目前現在做的大概是1.2毫米。

但是它也有缺點，就是光效率比較低，大概3%到5%。還有一個是它加工難度比較高，幾十道工序，因為它屬於光學冷加工。我們的陣列光波導這塊的，目前是有六、七片玻璃堆疊在一起，還有中間要用膠水來粘貼來保證整個鏡片的平整度，那膠水的厚度等各方面要求也很高，大概都是以ml（毫升）為單位的，我們需要控制在一定範圍之內；並且膠水材料要求很高，折射率要求比較高，在這個行業裡面呃代表了除了瓏璟，Lumus是這個行業的鼻祖，以及我們的友商靈犀、理湃也在做著一塊。

再下一個是衍射光波導。衍射光波導的FOV會做得更大，還有Eyebox可以設計得很大，以及半導體工藝極限成本比較低，類似用印刷的技術把它印出來，它代表了未來的方向。

但是目前的話還有一些缺點沒有辦法去克服。一個就是衍射光波導的均勻性，還存在一些鬼影跟倒影。另一個就是材料方面，應該還有一些瓶頸，比如材料難找，設備貴，生產工藝難。

在光學路徑這塊，我們瓏璟光電主要集中在陣列光波導。目前已經解決了一些工藝的問題，並且我們目前已經能進行大批量出貨。

我們的陣列光波導這塊，有兩種設計路徑。第一個是用光路折射的這種方式：

第二個是如果光路沒有折射的話，光直接過來然後放大，直接投射到鏡片上面。這是我們的一款產品：

那這個原理是什麼呢？

就是光線側著打過來時候，中間經過一段像光纖一樣的全反射，然後到人眼面前就把它釋放出來，到眼睛裡。

工序上，一般需要對玻璃進行切割，切割成很多的稜鏡，然後再進行研磨拋光，再對稜鏡鍍膜，最後再把它做膠合。

每一道工序可能都會有很多需要解決的問題。像鍍膜這塊是一個很關鍵的工藝，因為陣列光波導裡面幾個豎的條紋，實際上就是幾個稜鏡在裡面，每個稜鏡鍍膜的數量是不一樣的，每個可能要鍍膜二十層到八十層。還有膠合這塊，我們是要一個個把它貼合在一起，貼合時候每一層膠水要在1ml以內，所有工藝要求極高。陣列光波導最快的鏡片加工應該屬於微納製造的範疇。

這就是陣列光波導加工的一些難點，也是大家認為光波導不能量產的原因。

瓏璟的AR生產布局：建設相關產業基地

但經過我們這幾年的努力，瓏璟光電現在在陣列光波導這塊的產能增長率，應該在行業的前面。目前，我們的陣列光波導的波導片的產能大概是20K，整個模組的組裝大概是10k/月，良率我們現在已經超過了50%；在八月份，我們新的產業基地已經開業了。

現在產能已經不是我們最大的瓶頸了，因為我們已經把整個生產工藝的問題給解決了，只是說現在的訂單還沒那麼多。如果後面客戶有更大的需求，比如C端起來，我們只需要設備的時間跟人員培訓的時間。

2018年，我們成立了中試線，那時候大概兩千五百平米；在今年的八月份，8月18日開業了，在深汕投資區，這時候是16000平米的產業基地。在我們的計劃，明年可能可以見到我們的產業園。當然這個是要根據行業的發展，再重再擴我們的產線。

我剛才說的衍射光波導這塊，本身還有材料、生產工藝等一些難點在裡面。因為衍射光波導是類半導體的工具，設備很貴，工藝也比較新，在行業裡面這方面人才、光學設計的人才也非常少。

瓏璟的布局是，目前和湖南大學建立了的微納製造中心。在西麗，我們投了兩千萬建了一個微納製造實驗室，為未來衍射這塊做準備。我們本身也是微納製造促進會的創始會員。

另外，我們會在歐洲建立的研發中心。因為歐洲的光學在全世界是領先的，國內跟歐洲那邊比，在光學這塊差距還是挺大。

AR場景應用：G端到B端為主，C端緩慢

AR在這個行業裡，我們把它分為三大類。第一個是極G端測試，給軍工這塊用的，還有B端就是應急、公安、海關、醫療、教育、工業、物流。C端的應用在於一些行業巨頭，比如說蘋果、微軟、Facebook、谷歌、華為，甚至Oppo和Vivo。我們認為兩年內最快的落地的大概是G端到跟B端，C端的話可能還要一點時間。

今年的話就是酷派。我們認為酷派今天發布的產品（xview）是AR行業的一個裡程碑,讓大家知道C端的產品也可以這麼去用、可以這麼去設計。

這是在G端軍工方面的應用。像這個頭盔（上圖），我們看到美國大片上面的空軍、坦克手也戴著這種頭盔，現在用的就是類似這塊的技術。

在AR這塊落地，大家都知道AR是一個未來的一個風口，但是可能需要一點時間，比如進入C端。大家要進入這個行業裡面、去做產品、要怎麼落地，雖然我們看到遠水，但也要解近渴。

AR落地思考維度：場景、產品、成本、光學方案

在做產品設計的時候，我們需要從這幾個維度去思考這些問題：

第一個是應用場景。像剛才我講的，B端跟G端的產品可能會比較快落地，那落地場景這塊，我們做一個產品的時候要分析，關於每個場景具體的痛點是什麼？

第二個是還有產品的形態，我們是做頭盔的形式？還是頭箍的形式？還是眼鏡的形式？這幾個產品的形態各有優劣。從體積、功耗方面去考慮，做成單人的眼鏡還是有難度；而頭盔可以做成一體機，算力都放在放在頭盔某一個部位的話，就可以解決這個問題。

頭箍也是一個形式。因為如果把很多的工作放在眼鏡上會比較重，如果單獨去戴眼鏡的話，可能會戴著不舒服，那就可以用頭箍的形式分擔這個力。

眼鏡形式也可以。作為一個輕量級的應用時，就可以用眼鏡的形式做成無線，酷派的xview就是很典型的例子。只是作為信息提示，不做那麼重的一個產品，我們就可以做成眼鏡的形式。

第三個是整機的成本。不同的行業對價格的敏感度是不一樣的。類似公安體系這塊，他可能幾萬塊錢，甚至幾十萬、上百萬的頭盔也能接受。

所以我們在做產品定義的時候，我們在成本方面去考慮。C端的產品的話，我認為酷派的價格定位還是比較合理的。如果是超過四、五千塊錢的輕量級應用，基本上是很難賣得動的。

除了考慮這幾個維度，還有光學方案。我們在針對不同的應用場景，要考慮FOV做多大的。有些應用場景是不需要那麼大的，比如作為信息提示，可能20°就夠了，相當於是有個二、三十寸的屏，基本上已經夠了。

關於對比度和光度，不同的場景對對比度要求是不一樣的。如果我要做騎行的頭盔，對比度一定要很高，至少不能阻擋我的視線，比如晚上開摩託車的時候，我要通過頭盔看到現實的世界是什麼樣的，如果對比度不夠的話，晚上根本沒法拍，容易出事。還有亮度，室內跟戶外亮度的要求也是不一樣的。

關於出瞳距離，有一些應用場景，比如說在文旅這一塊的產品，類似租用的形式，就對出瞳距離要求很高，因為我本身帶著眼鏡，如果出瞳距離不夠的話就沒辦法用。

關於功耗和重量，比如說Micro-LED的功耗跟LCoS功耗有很多倍的差距。而重量上，日常經常佩戴的重量是怎麼樣的，也會有要求。

我現在就講一下具體的應用場景。這些是我認為在這個市場裡面比較剛需的應用場景，供大家參考。

我們認為消防頭盔是一個剛需產品。我們最近也有多個客戶切入了這個行業，它的痛點在於消防的人員不足，然後專業勘探員培訓周期非常長，火災的現場，濃煙高溫、現場安全信息獲知受影響。需要現場查找火點、勘驗識別、搜集整理、監督或輔助決策，以及如何增強消防人員的人身安全，如隊伍位置、空氣、溫度等各項信息呈現，這些都是痛點。

實際上在一些火場裡面，很多的信息通訊方式是失效的，比如說對講機基本上是失效了。那唯一能實現的，是在自己在眼睛面前呈現出來的視頻。

那在消防這一塊呢，在呼吸面罩、消防頭盔上面，把熱成像的攝像頭，還有毒性的傳感器、邊緣檢測這些東西全部都加上以後，對於整個消防作業的速度會提升很高，以及提高安全性，減少損失。

下一個是警用頭盔，這次疫情期間，出示二維碼和車輛檢測進行體溫測量的效率是比較低的。如果做成一個頭盔，通過紅外成像、可見光攝像、數據通信模塊作業，在頭盔裡一眼就呈現出來體溫情況。

關於車牌識別，還有人臉識別。信息這一塊在公安體系裡面也是一個剛需的產品，關鍵是我們怎麼做出適合使用的一個產品。

關於遠程協助。雖然說現在只是列舉了汽車行業，實際上在工業中應用非常廣。我們可以以第一視角來看某一個畫面，而技術支持公司在後臺，或者在任意的地方也同時能看到，這樣就可以實時指導現場人員解決問題，使得效率大幅度提升。

關於聽障方面的應用，我們認為也是一個很大的市場。如圖（上圖）顯示，我們現在用的是稜鏡，雖然我們認為光波導可以做得更薄。聽障人士戴著這個眼鏡，裡面有麥克風陣列，還有語音識別，它可以轉換為文字，展現在眼前。這個眼鏡其實除了我們剛才助聽這塊以外，還有很多的應用場景在可以用到，比如雲會議，可以同聲傳譯，變成文字顯示在眼前。

關於騎行頭盔。騎行時候是沒辦法導航的，我也看不到那麼多信息。現在的話，我們有些客戶關注到了這個領域，他們把儀表上面的一些信息，包括運動的心率、節奏速度等全部在頭盔上展示。

關於瓏璟光電產品線

瓏璟光電在整個陣列光波導領域布局了很多的產品。比如說40°FOV用的是LCoS，解析度為720P跟1080P。我們現在從1080P，到反推下來640x400等各種解析度，都會針對不同的產場景有不同的一些需求。

未來，從 Micro-LED、OLED到LCoS，甚至會有Micro-LED的產品出來。我們現在跟世界知名的國內Micro-LED的廠商在合作，估計年底我們會發布一款小拇指這麼大的光機。

在衍射光柵波導部分，我們現在也有在做一些布局，預計在十月份、十一月份單色的產品會出來，在年底或者明年Q1會出彩色衍射光柵產品會出來的。

在整個產品布局中，我們不斷和客戶交流，客戶需要什麼，我們做什麼，因為我們有自己的設計能力。我們一款產品經過大概兩、三個月的設計，可以達到量產的程度。

我大概就講這麼多，謝謝大家。