在華為發(fā)布的《5G時代十大應(yīng)用場景白皮書》中，預(yù)計2025年AR的市場空間將超過VR，達到1510億美元。據(jù)IDC預(yù)測，2019至2023年期間，AR眼鏡的復(fù)合年增長率高達140.9%。谷歌、微軟、蘋果、索尼、Facebook等巨頭以及一些國內(nèi)廠商，紛紛將重金投入到被譽為AR產(chǎn)業(yè)金鑰匙的關(guān)鍵技術(shù)——衍射光波導(dǎo)。
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AR是什么？與VR有什么區(qū)別？為什么說AR的市場空間增長速度將遠高于VR？AR眼鏡有哪些核心部件？是什么制約了AR眼鏡的規(guī)模商用？衍射光波導(dǎo)是什么黑科技？如何設(shè)計制造衍射光波導(dǎo)？衍射光波導(dǎo)領(lǐng)域的玩家有哪些？如何看待光波導(dǎo)玩家的現(xiàn)狀與未來？今天，我們就來和大家用“白話”聊一聊這些話題。
01
AR是什么？與VR有什么區(qū)別？
對于VR，生澀的定義咱們就不說了，直接上動圖。
▲AR眼鏡，來自Youtube▲
VR的名字（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）很貼切，帶上VR眼鏡之后，我們看到是一個完全的“假的”世界，是一個虛擬出來的世界。與此同時，也意味著，我們看不到現(xiàn)實世界了， “瞎了”。動圖中的那個妹子被套在一個“圍欄”里，就是為了避免這個“瞎子”摔個狗啃泥。
那么問題來了，帶上了VR眼鏡，我就“與世隔絕”了。能不能有種眼鏡，在看到現(xiàn)實世界的同時，又能看到虛擬世界？嗯，這實際上就是AR眼鏡被發(fā)明的緣由。來，看看下面的動圖，了解一下AR眼鏡。
透過這個眼鏡我們不僅能看到真實世界，也能看到虛擬圖像，而且這個虛擬圖像是和真實世界相關(guān)聯(lián)的。比如說，一個外賣小哥，他接到訂單之后，在他的眼鏡上就能看到訂單信息和取外賣的地圖導(dǎo)航，取完外賣后，眼鏡上再顯示出送外賣的地圖導(dǎo)航。透過AR眼鏡的圖像，是對真實世界的一個“增強”，所以眼鏡的名字自然也就是“增強現(xiàn)實”眼鏡了。
02
相比VR，AR的發(fā)展速度更快
由前面我們對AR和VR的對比可以看出，相比VR，AR實現(xiàn)了人類更多的愿望：既能看到真實世界，又能看到虛擬世界。如果把VR比作“熊掌”的話，AR就是人們心目中的“魚和熊掌”。
作為“魚和熊掌”的AR眼鏡，其技術(shù)復(fù)雜度自然遠高于VR，另外由于生產(chǎn)規(guī)模小、良品率低等原因，導(dǎo)致當(dāng)前AR眼鏡的價格遠高于VR眼鏡（比如微軟的HoloLens 2的價格高達3500美金，而市場上的主流VR眼鏡價格僅300~400美金）。目前，AR眼鏡的價格雖然可以由安防、工業(yè)和金融等組織機構(gòu)所承擔(dān)，但對大部分個人消費者來說還是難以承受的。
雖然AR眼鏡當(dāng)前價格高，但AR眼鏡相關(guān)技術(shù)已經(jīng)進入了快速成熟期，制約其成本的一系列難題將得以解決，AR眼鏡價格有望在2020年快速下降到500~600美金，并在隨后幾年中進一步降低。根據(jù)IDC的VR/AR分析報告預(yù)測，2019~2023年，VR眼鏡的復(fù)合年增長率是46.7％，而同期AR眼鏡的復(fù)合年增長率則高達140.9%。
▲AR/VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)測圖，來自IDC▲
03
AR眼鏡的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)
如下圖所示，從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上說，無論是VR眼鏡還是AR眼鏡，都與手機的架構(gòu)并無差異。主要由輸入傳感器、輸出系統(tǒng)、電源、計算、存儲和通信模塊所構(gòu)成。AR/VR與手機之間關(guān)鍵區(qū)別，在于光學(xué)輸出系統(tǒng)（顯示系統(tǒng)）。
▲AR/VR眼鏡基礎(chǔ)架構(gòu)圖，黑貓警長008整理▲
除了光學(xué)輸出系統(tǒng)外，VR/AR所需要的其他硬件基本與手機類似，大部分均已較為成熟。當(dāng)前制約VR/AR發(fā)展的硬件技術(shù)瓶頸，在于光學(xué)顯示系統(tǒng)。
相比手機的顯示系統(tǒng)，VR眼鏡的顯示系統(tǒng)需要實現(xiàn)高清晰度、高刷新率、高可視角度（FOV）、低功耗、低散熱、低重量和小型化等一系列要求。
而AR眼鏡則更進一步，不僅要達到VR眼鏡的一系列要求，還需要能夠?qū)⒐鈱W(xué)輸出顯示在透明鏡片上。這一看似簡單的“小目標(biāo)”，卻令A(yù)R眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全不同于VR眼鏡，復(fù)雜度和成本大幅上升。雖然顯示技術(shù)在最近幾十年來快速發(fā)展，但是業(yè)界卻一直難以拿出一個性能相對可靠，并有可能以低成本大規(guī)模量產(chǎn)的AR光學(xué)顯示方案。直到2010年，諾基亞公司的Tapani Levola博士發(fā)明了用于近眼顯示的衍射光波導(dǎo)技術(shù)，才讓AR行業(yè)看到了曙光。隨著AR產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，衍射光波導(dǎo)已被業(yè)界譽為 “AR產(chǎn)業(yè)的金鑰匙”。
04
衍射光波導(dǎo)和他的“先輩”們
雖然是“金鑰匙”，但是在衍射光波導(dǎo)出現(xiàn)之前，還是有很多“先輩”的。它們主要有棱鏡、自由曲面、全息反射薄膜，以及一個“近親”幾何光波導(dǎo)。不同的廠商，由于自身的“屁股”原因，對于哪個技術(shù)能“繼承大統(tǒng)”自然有不同的“認知”。如果我們要從技術(shù)上去識別這些光學(xué)系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣，怕是100篇論文也說不清。那怎么就能知道這些技術(shù)誰能最終拔得頭籌呢？咱們的“捷徑”是看看業(yè)界大咖的實際選擇，畢竟，不管嘴上怎么說，身體都是很誠實的。
大咖們各顯神通，有的收購（谷歌、Intel、蘋果、索尼、三星），有的自研（Facebook、Waveoptics），而微軟，“動手”最早也最直接，直接聘用了發(fā)明人。但不管用什么方式，大咖們無一例外的都選擇了衍射光波導(dǎo)技術(shù)。
▲衍射光波導(dǎo)相關(guān)廠商列表，黑貓警長008整理▲
至于說衍射光波導(dǎo)技術(shù)的各位“先輩”呢，其實大部分都還“健在”，但是隨著“后浪”衍射光波導(dǎo)的快速發(fā)展，這些“前浪”怕是會陸續(xù)在“沙灘”上相會了。
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衍射光波導(dǎo)的技術(shù)原理和分類
所謂光波導(dǎo)，簡單說就是讓光在設(shè)計好的路徑中傳播。而衍射光波導(dǎo)，則是利用了光的衍射特性，來設(shè)計并實現(xiàn)“光路”。還記得曾經(jīng)學(xué)過的物理學(xué)知識嗎？衍射，需要小孔或者“柵欄”來實現(xiàn)。衍射光波導(dǎo)實現(xiàn)的技術(shù)方法之一，就是在光學(xué)平面上“刻”出一道道“柵欄”（術(shù)語為光柵），讓光線按照設(shè)計好的路徑傳播。
在下圖的左下角的方框處，俗稱 “光機”。光機負責(zé)把電信號轉(zhuǎn)為光學(xué)影像，可以把光機簡單的理解為一個投影儀。而光波導(dǎo)呢，則負責(zé)將來自“投影儀”影像最終傳遞到眼睛里。光波導(dǎo)，由光學(xué)鏡片及鏡片上的光柵構(gòu)成。圖中的光波導(dǎo)是一個比較經(jīng)典的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由三片光柵區(qū)域構(gòu)成。左下角的第一片光柵是輸入光柵，負責(zé)接收光信號，并將光傳遞到右下側(cè)的“轉(zhuǎn)折”光柵區(qū)。轉(zhuǎn)折光柵區(qū)一方面對光線進行水平擴瞳（下文詳述），另外再將光線傳遞到右上角的輸出光柵。輸出光柵對光線進行垂直擴瞳（下文詳述），并最終將光線輸出，投射到人眼中。
▲傳統(tǒng)衍射光波導(dǎo)原理，圖片來自Digilens▲
那么上面說的擴瞳是什么意思呢？這得先提到FOV（Field Of View，可視角度）。回憶一下我們見過的早期的電腦顯示屏，如果正對著顯示屏看是可以看到影像的，但如果在顯示屏旁邊看，則看不清了。也就是說早前的顯示屏FOV的角度比較小，后來隨著顯示器技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)OV逐步被擴大了，新的顯示器也就不再存在從側(cè)面看不清的問題了。
▲FOV示意圖，來自giganti.co▲
而光波導(dǎo)技術(shù)中的“擴瞳”，就是將低FOV的輸入變?yōu)楦逨OV的輸出。由于擴瞳同時存在水平和垂直兩個方向，因此傳統(tǒng)的衍射光波導(dǎo)都需要兩個光柵進行二維“擴瞳”，再加上輸入光柵，那就需要3片光柵區(qū)了。
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大家自然會想到一個問題，一個鏡片上，需要3片光柵，但真正人眼能看到的只有輸出光柵一區(qū)域，豈不是浪費了鏡片上的大量空間？有沒有辦法把輸出光柵變得更大一些？實際上，Waveoptics已經(jīng)獲得突破并有成品光波導(dǎo)，而Facebook和微軟也隨后申報了類似的專利技術(shù)。
▲傳統(tǒng)衍射光波導(dǎo)原理，圖片來自Waveoptics▲
上面的動圖是傳統(tǒng)的衍射光波導(dǎo)，而下圖的動圖則是Waveoptics發(fā)明的新型光柵，將傳統(tǒng)的3個光柵區(qū)變?yōu)?個，輸出光柵區(qū)面積比傳統(tǒng)方式大了很多。
▲新型衍射光波導(dǎo)原理，圖片來自Waveoptics▲
在Facebook于2018年提交的專利中，將輸出光柵區(qū)大大“擴容”。
▲Facebook 衍射光波導(dǎo)專利圖，來自Google Patent網(wǎng)站▲
在微軟于今年提交的專利中，同樣將輸出光柵區(qū)大大“擴容”。
▲微軟衍射光波導(dǎo)專利圖，來自uspto.gov網(wǎng)站▲
說完衍射光波導(dǎo)的原理，我們再來看看光柵的兩個子類：表面浮雕光柵和體全息光柵。
▲顯微鏡下的表面浮雕光柵（間隔為400納米），來自toppan.co.jp▲
表面浮雕光柵（Surface Relief Grating），顧名思義，是“浮雕”出來的光柵結(jié)構(gòu)，其制造工藝與制造芯片的工藝類似，叫做納米壓印（Namo-imprint），后面我們再詳細講。
▲體全息光柵，來自andor.com▲
而體全息光柵（Volume Holographic Grating）則是一種通過全息曝光技術(shù)生成的光柵。需要強調(diào)的是，體全息光柵只是其生產(chǎn)工藝使用了全息曝光技術(shù)，光柵本身并不會產(chǎn)生全息圖像。怎么理解體全息呢？可以把它理解為一個可以被曝光“顯影”的涂層，這個涂層被激光曝光后可以形成折射率不同的條紋，也就是另外一種形態(tài)的光柵。而所謂體全息，是在一個涂層中進行多次全息曝光，從而在同一個“體積”中，保存有多重條紋。
業(yè)界的微軟、MagicLeap、Vuzix和Waveoptics等大部分廠商，使用的均為表面浮雕光柵技術(shù)，并且已經(jīng)有了規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品。而體全息光柵技術(shù)，僅有蘋果、索尼和三星使用，而且市面上尚未有量產(chǎn)成品。
06
表面浮雕光柵衍射光波導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)鏈
由于體全息光柵目前尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)鏈部分本文僅討論表面浮雕光柵。在說產(chǎn)業(yè)鏈之前，我們有必要先了解一下表面浮雕光柵的設(shè)計與生產(chǎn)流程。
▲表面浮雕光柵設(shè)計及制造流程，黑貓警長008整理▲
工藝流程分為三個階段，分別是母版、步進母版和成品階段。這個過程類似餅干工廠壓制餅干的流程。
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第一步是要設(shè)計并制造單個餅干模子（母板），第二步是用母板在一塊大板上壓出多個圖樣，形成一個大模子，第三步就是用大模子批量的壓制成品。
▲表面浮雕光柵設(shè)計制造流程及相關(guān)廠商，黑貓警長008整理▲
雖然表面浮雕光柵的設(shè)計和制造產(chǎn)業(yè)鏈涉及到眾多廠商，但是在母版和步進母版部分，并沒有太多瓶頸，原因是這部分的原材料和制造設(shè)備與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)同源，已經(jīng)相當(dāng)成熟。表面浮雕光柵的關(guān)鍵技術(shù)集中在光柵設(shè)計和高折射率原材料領(lǐng)域。
在光柵設(shè)計領(lǐng)域，前文提到的微軟、MagicLeap、Facebook、Waveoptics和蘋果都在力爭設(shè)計出高FOV、低色散的光柵。在這些公司中，與微軟、Facebook等大公司相比，Waveoptics似乎顯得名不見經(jīng)傳，但這家公司實際上在光柵設(shè)計領(lǐng)域擁有重要的話語權(quán)。Waveoptics是一家英國公司，由兩位光學(xué)專家創(chuàng)建。在創(chuàng)建Waveoptics之前，這兩位創(chuàng)始人曾經(jīng)是BAE公司的光學(xué)部負責(zé)人。BAE公司全名英國航空航天公司，是全球第三大軍品公司，著名的臺風(fēng)戰(zhàn)斗機就來自BAE。而臺風(fēng)戰(zhàn)斗機所使用的衍射光波導(dǎo)頭盔，就來自于BAE的光學(xué)部（即Waveoptics創(chuàng)始人所掌管的部門，呵呵）。
▲臺風(fēng)戰(zhàn)斗機，圖片來自BAE▲
▲BAE戰(zhàn)斗機頭盔使用了衍射光波導(dǎo)技術(shù)，圖片來自BAE▲
而在玻璃原材料領(lǐng)域，主要有2個玩家，一家是美國的康寧，一家是德國肖特?？祵幋蠹叶炷茉?，iPhone屏幕上用的著名的大猩猩玻璃，就來自康寧。康寧公司已經(jīng)有超過150年歷史，目前是世界上最大的特種玻璃公司。另外一家肖特也不簡單，這家公司曾經(jīng)在蔡司旗下，有超過135年的歷史。
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前面提到我們希望光波導(dǎo)的FOV盡量的大。要增加FOV，一方面要有好的光柵設(shè)計，另外一方面則需要高折射率的玻璃。折射率越高，光波導(dǎo)的FOV越大。當(dāng)前康寧和肖特都推出了折射率超過1.7的產(chǎn)品，而且這兩家公司都表示折射率可以進一步提高。
而在納米壓印設(shè)備領(lǐng)域，基本上都被一家德國公司所壟斷，那就是EV集團（EVG）。
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衍射光波導(dǎo)領(lǐng)域的國內(nèi)廠商
從上面的產(chǎn)業(yè)鏈圖表我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)鏈中的公司僅來自美、英、德、日這四個國家。中國公司難道集體缺席？
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在衍射光波導(dǎo)核心技術(shù)和材料領(lǐng)域，我們不得不接受的現(xiàn)實是，中國距離歐美日還有距離。但衍射光波導(dǎo)既然是“金鑰匙”，中國的廠商自然不會熟視無睹。當(dāng)前已有歌爾股份和水晶光電兩家中國公司成功打入到了核心產(chǎn)業(yè)鏈中。
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歌爾股份，在2018年和2019年先后兩次投資光波導(dǎo)設(shè)計公司W(wǎng)aveoptics。這兩次C輪投資一共3千萬英鎊（約3億人民幣），獲得了Waveoptics公司33%的股權(quán)。另外歌爾即將發(fā)行的可轉(zhuǎn)債中，將有10億人民幣投入到衍射光器件的研發(fā)和制造，預(yù)計2021年可形成500萬件年產(chǎn)能。
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水晶光電，在2018年與肖特共同投資設(shè)立浙江晶特光學(xué)科技有限公司(簡稱“晶特光學(xué)”)。晶特光學(xué)注冊資本1.35億元人民幣，其中水晶實際持有晶特光學(xué)的54%股份。預(yù)計晶特2021年可形成440萬件AR晶圓的年產(chǎn)能。
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前面我們提到，衍射光波導(dǎo)發(fā)展的關(guān)鍵，一在于光柵設(shè)計，二在于高折射率玻璃。歌爾與水晶光電這兩家中國公司，分別在這兩個關(guān)鍵領(lǐng)域投入重金，成功打入了核心產(chǎn)業(yè)鏈。
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總結(jié)
AR產(chǎn)業(yè)的巨大市場空間吸引了眾多玩家相繼投入其中，而衍射光波導(dǎo)這一新興技術(shù)，被譽為打開“AR產(chǎn)業(yè)”的金鑰匙，更成為國外巨頭爭相重金投入的關(guān)鍵領(lǐng)域。美、英、德、日四個國家在核心產(chǎn)業(yè)鏈早做布局，甚至在部分環(huán)節(jié)上形成了壟斷的局面，而中國廠商卻一度缺席衍射光波導(dǎo)朋友圈。
可喜的是，中國廠商歌爾股份和水晶光電不甘人后，運用自己的智慧，成功打入了衍射光波導(dǎo)的核心產(chǎn)業(yè)鏈。
相信在歌爾和水晶的引領(lǐng)下，中國將會涌現(xiàn)出更多的企業(yè)，不僅在AR應(yīng)用領(lǐng)域，更能在衍射光波導(dǎo)這一核心技術(shù)領(lǐng)域，為中國贏得一席之地。
原文始發(fā)于微信公眾號（AR圈）：一文看懂：AR產(chǎn)業(yè)金鑰匙——衍射光波導(dǎo)
