對標(biāo)WaveOptics的AR鏡片，「瓏璟光電」正式發(fā)布衍射光波導(dǎo)模組

    Snapchat以5億美元收購WaveOptics，關(guān)于AR眼鏡的光學(xué)路徑再度引起業(yè)內(nèi)討論與思考。WaveOptics采用的是衍射波導(dǎo)方案，即浮雕光柵波導(dǎo)方案中的二維光柵的浮雕光柵波導(dǎo)方案。

    中國的AR行業(yè)創(chuàng)業(yè)從2014年左右起步，近年來已經(jīng)形成共識的是波導(dǎo)（Lightguide）方案是目前業(yè)內(nèi)接受的主流，其中陣列波導(dǎo)（偏振薄膜陣列反射鏡波導(dǎo)，是幾何波導(dǎo)方案中的一種，代表公司是以色列的Lumus）、衍射波導(dǎo)（包括表面浮雕光柵波導(dǎo)、體全息光柵波導(dǎo)方案，前者代表公司是Magic Leap、微軟HoloLens、剛剛被收購的WaveOptics，后者代表公司是蘋果公司收購的Akonia公司、創(chuàng)業(yè)公司Digilens）被認(rèn)為是有可能解決C端大批量量產(chǎn)產(chǎn)品的光學(xué)方案。

    兩種方案也都有自己的不足，陣列波導(dǎo)繁冗的制造工藝流程導(dǎo)致總體良率較低；衍射波導(dǎo)的衍射色散導(dǎo)致圖像有“彩虹”現(xiàn)象和光暈。這也成為過去幾年，創(chuàng)業(yè)公司一直努力攻克的難題。

    36氪獲悉，深圳瓏璟光電科技有限公司（簡稱：瓏璟光電）發(fā)布衍射光波導(dǎo)模組，產(chǎn)品型號名為LCE2104H。這是繼今年年初推出視場角40度光柵波導(dǎo)樣品，并宣告其光柵波導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品迭代設(shè)計、以及量產(chǎn)化準(zhǔn)備階段之后，推出的的第一款量產(chǎn)產(chǎn)品。

    LCE2104H的視場角為28°，出瞳距離20mm，眼動范圍達(dá)到15*12mm，鏡片厚度僅1.4mm，透過率高達(dá)85%。產(chǎn)品與其他大體積光學(xué)方案相比，輕薄而且可靈活切割處理，在外形上可更貼近眼鏡形態(tài)，搭配了結(jié)構(gòu)更為緊湊、更為輕量化的光機。

    瓏璟光電衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)全流程均自主完成，衍射光柵設(shè)計依托于自主知識產(chǎn)權(quán)，采用自主開發(fā)的衍射波導(dǎo)輔助設(shè)計軟件，自主創(chuàng)新的微光柵結(jié)構(gòu)以及架構(gòu)設(shè)計，與國際一線廠商相比，采用了全新的產(chǎn)品設(shè)計路線。產(chǎn)品的生產(chǎn)，如勻膠、壓印、固化、切割、組裝等工藝流程全部在瓏璟光電微納實驗室和深汕生產(chǎn)基地完成，基本實現(xiàn)生產(chǎn)制作過程可控，質(zhì)量可控，時間周期可控。

    瓏璟光電，是國內(nèi)為數(shù)不多同時在陣列波導(dǎo)、衍射波導(dǎo)兩個路線上做研發(fā)、產(chǎn)品的公司。目前其陣列波導(dǎo)鏡片今年的出貨量已達(dá)到去年全年的出貨量，明后年預(yù)計出貨量將達(dá)到至少3-5倍的增長。衍射波導(dǎo)鏡片預(yù)計在2021年Q4可實現(xiàn)每月K級的出貨量。

    因此，這個時間點，我們也與瓏璟的CEO聊了聊著兩個技術(shù)方案當(dāng)下的全球研發(fā)進(jìn)度。

    一、C端需求——低于100美元的可量產(chǎn)的光學(xué)方案

    一種業(yè)內(nèi)的觀點認(rèn)為，AR眼鏡只有低于1000元人民幣才有可能大規(guī)模普及。若以此倒推，兩片AR眼鏡的光學(xué)模組售價必然要低于100美元。

    蘋果AR眼鏡在過去一年間一直被預(yù)測將在2022或2023年發(fā)布，成為當(dāng)下AR領(lǐng)域最受關(guān)注的新聞。若蘋果發(fā)布AR眼鏡，手機廠商勢必跟進(jìn)，光學(xué)模組的需求量大幅提升。

    蘋果此前已收購Akonia公司，在體全息光柵波導(dǎo)方案上深耕數(shù)年。蘋果享受更高品牌溢價，短期可以接受更高成本的光學(xué)模組方案�？紤]到其技術(shù)投入與定價策略，短期內(nèi)兩片光學(xué)模組的成本應(yīng)該不會超過200美元。

    單片100美元目前成為了國內(nèi)AR光學(xué)模組廠商可能要對標(biāo)的價格。

    首先來聚焦下目前主流的解決方案：棱鏡、Birdbath、自由曲面、離軸全息透鏡和波導(dǎo)（Lightguide）。前三者因為體積大，在C端應(yīng)用具備一定的局限性，離軸全息透鏡所使用的全息片光學(xué)特性突出，具有大FOV和小體積的優(yōu)勢，但是受限于眼動范圍比較小，目前還無法支持商業(yè)應(yīng)用，但是作為儲備技術(shù)也會被持續(xù)關(guān)注。

主流光學(xué)方案

    波導(dǎo)（Lightguide）方案是目前業(yè)內(nèi)接受的主流。波導(dǎo)方案又分為陣列波導(dǎo)方案、衍射波導(dǎo)方案和體全息波導(dǎo)方案。

    陣列波導(dǎo)最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于優(yōu)化迭代，至今差不多快二十年了。耦合光進(jìn)入波導(dǎo)的一般是一個反射面或者棱鏡。在多輪全反射后光到達(dá)眼鏡前方時，會遇到一個“半透半反”鏡面陣列，這就是耦合光出波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)了，也就是陣列波導(dǎo)里的“光組合器”。

    作為主流中的主流目前衍射波導(dǎo)的路線主要有：基于一維光柵的浮雕光柵波導(dǎo)方案，代表產(chǎn)品為HoloLens；基于二維光柵的浮雕光柵波導(dǎo)方案，使用二維光柵結(jié)構(gòu)的多個級次，同時保證光束的耦出和多個方向的擴(kuò)展，代表公司為WaveOptics。

    采用體全息光柵波導(dǎo)方案主要是蘋果公司收購的Akonia公司。其主要產(chǎn)品就HoloMirror，只需一層用于顯示信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)在一個輕薄透明的鏡片上顯示動態(tài)的、全色彩、廣視域的圖像。但體全息衍射光波導(dǎo)的門檻是綜合性的，涉及到材料體系、設(shè)計軟件、系統(tǒng)設(shè)計仿真、體全息光柵制造工藝、體全息光柵后處理工藝。

    因此，近年來已經(jīng)形成共識的是波導(dǎo)（Lightguide）方案是目前業(yè)內(nèi)接受的主流，其中陣列波導(dǎo)、衍射波導(dǎo)被認(rèn)為是有可能解決C端大批量量產(chǎn)產(chǎn)品的光學(xué)方案。

    在早期這兩種方案都有自己的不足：

    陣列波導(dǎo)需要擴(kuò)瞳技術(shù)，為保證整個動眼框范圍內(nèi)的出光量是均勻的，導(dǎo)致每個鏡面的鍍膜層數(shù)可能達(dá)到十幾甚至幾十層，鍍膜后層層摞在一起并用特殊的膠水粘合，即使每一步工藝都可以達(dá)到高良率，這幾十步結(jié)合起來的總良率卻是一個挑戰(zhàn)。

    衍射波導(dǎo)方案中，衍射這個物理過程本身對于角度和波長的選擇性導(dǎo)致了色散問題的存在，主要表現(xiàn)為FOV和動眼框內(nèi)的顏色不均勻即“彩虹效應(yīng)”。光柵設(shè)計優(yōu)化過程中，對于所覆蓋顏色波段和入射角（即FOV）范圍很難兼顧，如何用一層光柵作用于RGB三色并且能實現(xiàn)最大的FOV是業(yè)內(nèi)面臨的挑戰(zhàn)。

    為了攻克這些不足，在過去幾年，創(chuàng)業(yè)公司一直在投入研發(fā)以尋找解決方案。

    二、衍射波導(dǎo)——解決工藝難題

    瓏璟光電從2017年便開始在衍射光波導(dǎo)方向布局，19年投入數(shù)千萬成立微納光學(xué)實驗室，實現(xiàn)衍射光柵產(chǎn)品小批量試產(chǎn)。同時，預(yù)計今年年內(nèi)，位于深汕特別合作區(qū)的瓏璟光電生產(chǎn)基地全新的衍射光波導(dǎo)生產(chǎn)線將建設(shè)完成，在現(xiàn)有的小批量量產(chǎn)試產(chǎn)上，衍射光波導(dǎo)的產(chǎn)能將提升至K級每月。

    衍射波導(dǎo)的加工工藝中，第一步需要通過半導(dǎo)體的微納米加工工藝在硅基底上通過電子束曝光和離子刻蝕制成母版，為全面實現(xiàn)衍射波導(dǎo)生產(chǎn)制作全流程全工藝的自主可控，瓏璟光電將進(jìn)一步加大投入，購入母版制作加工的相關(guān)設(shè)備，引進(jìn)更多微納高技術(shù)人才。

    1 瓏璟在衍射光波導(dǎo)的布局：1） 研發(fā)團(tuán)隊和技術(shù)能力：

    瓏璟光電的AR光學(xué)注重理論基礎(chǔ)、擁有較強的光學(xué)設(shè)計和逆向光子優(yōu)化設(shè)計能力，具備十余年光學(xué)領(lǐng)域科研經(jīng)驗、在衍射光學(xué)和光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域均有實踐。團(tuán)隊的學(xué)術(shù)研究成果在包括Nature communication, Optics Letters、Applied optics , Optics Express、Journal of Optics、光學(xué)學(xué)報、中國激光等國內(nèi)外知名光學(xué)期刊發(fā)表。是Optica，Optics Express, Applied Optics等期刊審稿人。

    瓏璟歐洲研究中心團(tuán)隊擁有10年衍射光學(xué)經(jīng)驗。團(tuán)隊在Journal of physical Chemistry C，Optics Letters, Optics and Lasers in Engineering等刊物上發(fā)表文章多篇，是Optica，Optics Express等期刊審稿人，參與過歐盟科學(xué)研究項目2項。

    2）衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)積累：設(shè)有700平的衍射光波導(dǎo)微納光學(xué)實驗室、有納米壓印實驗線，同時規(guī)劃有納米壓印量產(chǎn)線、電子束曝光設(shè)備和刻蝕設(shè)備，電鏡檢測設(shè)備等半導(dǎo)體光刻設(shè)備，目的是打通全部環(huán)節(jié)的衍射光柵波導(dǎo)加工和檢測產(chǎn)線；目前有團(tuán)隊專注于衍射光波導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計。 3）自主開發(fā)的衍射光波導(dǎo)設(shè)計工具軟件：瓏璟光電開發(fā)有專用的光柵結(jié)構(gòu)全電磁矢量分析軟件和衍射光柵波導(dǎo)設(shè)計軟件，這兩款軟件目前已經(jīng)深度應(yīng)用并成功用于設(shè)計衍射波導(dǎo)模組的工業(yè)開發(fā)。 4）衍射光波導(dǎo)專利布局情況：瓏璟光電目前主要布局在兩個方面，一是創(chuàng)新的光柵波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)，突破現(xiàn)有的常用的光柵波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)；二是創(chuàng)新的光柵波導(dǎo)架構(gòu)設(shè)計，因為目前光柵波導(dǎo)使用的架構(gòu)有兩種，以微軟為代表的一維光柵方案，和以WaveOptics為代表的二維光柵方案，瓏璟光電在探索第三種特有的結(jié)構(gòu)，并部署了相關(guān)發(fā)明專利。這個就是全矢量計算電磁逆向優(yōu)化出來的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比一維和二維光柵能夠獲取更好的視場均勻性和Eyebox均勻性。

光柵結(jié)構(gòu)

    5）海外研究中心和高校合作：

    持續(xù)跟進(jìn)海外技術(shù)動態(tài)，依托瓏璟歐洲的研究中心，進(jìn)一步加大落實歐洲高校的合作，同事加強國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的能力；

    爭取國外完成原理性問題突破后，在12個月內(nèi)做出類似效果的產(chǎn)品，并且依托國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化能力和客戶基礎(chǔ)，加大光柵產(chǎn)品的迭代和產(chǎn)業(yè)化，取得更多的客戶；

    針對前沿的技術(shù)如體全息和超表面等，持續(xù)保持關(guān)注和跟進(jìn)，并已布局相關(guān)專利，來判斷他們可產(chǎn)業(yè)化的時間點，去做產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的準(zhǔn)備工作。

    6）衍射光波導(dǎo)客戶合作情況：衍射光波導(dǎo)模組由于體積可以做到更小，所以客戶范圍會更廣，除了傳統(tǒng)的工業(yè)、安防等B端應(yīng)用，我們也和以國內(nèi)消費電子行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商為代表的C端客戶持續(xù)接觸，預(yù)計在衍射方向2021年可實現(xiàn)小批量出貨，找到有潛力的場景和客戶持續(xù)共同打磨產(chǎn)品。 2 納米壓印流程介紹：

圖1

    該工藝如圖1所示，可分為兩個階段：納米壓印工作模具制備階段和批量生產(chǎn)階段。首先，通過上述模板制備工藝將圖案加工到硅晶圓上以用作模板，通過納米壓印技術(shù)在更大的硅晶片上旋涂UV樹脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外線對印刷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行曝光以固定樹脂。最后通過重復(fù)上述過程批量生產(chǎn)多圖案的壓印模具。在批量生產(chǎn)的過程中，使用多圖案的模具來生產(chǎn)表面浮雕光柵波導(dǎo)，然后使用功能性涂層覆蓋波導(dǎo)，并用激光切割技術(shù)分離，最后將不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)堆疊實現(xiàn)光學(xué)模組的制備。

    3 納米壓印設(shè)備：

納米壓印設(shè)備

    第一階段入廠的納米壓印設(shè)備包括高精度紫外納米壓印設(shè)備，勻膠+熱板設(shè)備，以及相關(guān)清洗設(shè)備等。高精度紫外納米壓印設(shè)備主要用于大批量壓印衍射光學(xué)器件，適用于浮雕光柵波導(dǎo)、全息元件等的批量壓印生產(chǎn)。可壓印高精度結(jié)構(gòu)、高深寬比結(jié)構(gòu)、以及斜光柵結(jié)構(gòu)等，能夠全自動根據(jù)配方進(jìn)行納米壓印。購入的設(shè)備可選用熱固化和紫外固化兩種方式，適用于不同的膠水工藝，具有多用性。同時，該設(shè)備支持自動復(fù)制柔性復(fù)合工作模具，工作模具具有精度高，壽命長等特點，可以顯著降低大面積納米壓印工藝中模具使用成本。勻膠+熱板設(shè)備主要用于晶圓結(jié)構(gòu)復(fù)制材料的旋涂和基片壓印膠的旋涂，適用于300mm直徑圓片的旋涂勻膠與烘烤工藝。相關(guān)清洗設(shè)備用于基片的無損清洗及表面活化。第一階段得納米壓印設(shè)備可以滿足瓏璟光電初期得浮雕光柵波導(dǎo)得壓印工藝探索，以及小批量生產(chǎn)。

    4 納米壓印進(jìn)度：

    基于購置的納米壓印相關(guān)設(shè)備和自己搭建的工藝表面處理設(shè)備，經(jīng)過多輪的工藝摸索，已經(jīng)獨立走通了整個的納米壓印工藝流程（之前部分表面處理工作需要外發(fā)到設(shè)備商處進(jìn)行處理，時間上完全沒有保障）,目前的納米壓印工作分為兩塊，一是對目前在加工晶圓的測試壓�。欢�是對新膠水，包括模板膠水和壓印膠水的測試工作，形成一個穩(wěn)定的膠水供應(yīng)鏈和膠水工藝庫。如下兩個圖是目前納米壓印的SEM圖。

納米壓印的SEM圖

    5 自研發(fā)工具軟件：

    ARDesign為瓏璟AR波導(dǎo)片開發(fā)工具包，結(jié)合ZEMAX Optic Studio軟件，能快速自動化建模，評價分析波導(dǎo)鏡片成像質(zhì)量。

ARDesign 操作區(qū)示意圖

建模實例圖

自研光波導(dǎo)設(shè)計軟件專利

    三、陣列波導(dǎo)——解決量產(chǎn)難題

    幾何波導(dǎo)方案中的偏振陣列波導(dǎo)，是目前產(chǎn)能最大的解決方案。

    陣列波導(dǎo)的擴(kuò)瞳技術(shù)，設(shè)計較為復(fù)雜。設(shè)計時要充分考慮雜散光，人眼兼容性，各項性能指標(biāo)。除此之外，均勻性也是最終用戶體驗的直觀指標(biāo)，如何控制多個膜層的反射和透過率，如何整機優(yōu)化，如何控制鍍膜工藝，才能保證整個眼動范圍內(nèi)的均勻性，也是研究的重點。這項技術(shù)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)流程長、加工成本高、良品率提高有上限。

    瓏璟光電的第二代40°陣列波導(dǎo)產(chǎn)品從2018年3月開始量產(chǎn)，2020年8月，建成新的生產(chǎn)基地。面積16400平方米，其中廠房面積近8000平方米。針對陣列波導(dǎo)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量環(huán)境一體化管理體系、品質(zhì)管控體系、供應(yīng)鏈管理程序均已完備。目前已投產(chǎn)FOV25°-40°、不同分辨率及不同微顯示模組的產(chǎn)品方案近二十種。

    截止到5月，瓏璟光學(xué)陣列波導(dǎo)鏡片今年的出貨量已達(dá)到去年全年的出貨量，明后年預(yù)計出貨量將達(dá)到至少3-5倍的增長。

    四、AR行業(yè)的出貨，需要C端AR產(chǎn)品拉動

    自Google Glass面世以來，AR眼鏡備受關(guān)注，但在全球范圍總共投產(chǎn)過幾十款。2019年是一個重要的年份，微軟升級了HoloLens2、MagicLeapOne也終于問世，但是價格高昂，均處于2000-4000美元的價格區(qū)間，三年來應(yīng)用數(shù)量停留在二三百種，且沒有重量級應(yīng)用。

    國內(nèi)廠商的產(chǎn)品比較龐雜，包括不少棱鏡、自由曲面、 Birdbath方案。應(yīng)用方向多為面向B端客戶，包括物流、警用、醫(yī)療、教育、汽車、文旅、安防、工業(yè)等應(yīng)用場景。

    近一年來酷派，Rokid等也在推出C端產(chǎn)品，但是出貨量還很有限，據(jù)不完全統(tǒng)計總共只有每年幾千套的規(guī)模。

    目前，瓏璟光學(xué)的產(chǎn)能已經(jīng)使開拓C端市場成為可能。今年下半年，其陣列波導(dǎo)鏡片月產(chǎn)量可達(dá)5K左右，衍射波導(dǎo)鏡片也可穩(wěn)定出貨。而明年開始的增量會相當(dāng)可觀，陣列波導(dǎo)鏡片產(chǎn)能會有3-5倍的提升。

    總體來看，為了打開C端市場，AR眼鏡需要解決5大問題：1）質(zhì)量優(yōu)異；2）長續(xù)航；3）移動帶寬；4）應(yīng)用生態(tài)；5）價格。雖然市場一直聚焦在AR眼鏡的形態(tài)和推出時間，但是這些問題的解決仍需要時間。

    未來有望打開C端市場的頭部科技公司分別是蘋果、Facebook和微軟等頭部公司。當(dāng)下，從公開信息推測，微軟、Facebook、蘋果三家公司在AR領(lǐng)域分別有著不同的規(guī)劃：

    （1）蘋果

    蘋果在2017年6月的WWDC開發(fā)者大會上發(fā)布了軟件解決方案ARKit，點燃了全球市場的熱情，瞬間就可支持上億臺iOS設(shè)備通過ARKit支持AR，蘋果也因此一躍成為了“世界上最大的AR平臺”。

    蘋果的硬件方案則一向比較神秘，雖然收購的Akonia公司已經(jīng)4年時間，但是依然沒有產(chǎn)品推出。外界有猜測認(rèn)為蘋果將直接推出消費級C端產(chǎn)品。

    （2）Facebook

    Facebook此前已經(jīng)公布在開發(fā)AR眼鏡的計劃，即去年四季度其與雷朋（Ray-Ban）達(dá)成合作，稱未來會合作推出首款A(yù)R眼鏡，不過可能要推遲到2023年才會推出。目前其主要的AR業(yè)務(wù)包括移動AR平臺Spark AR。而移動端AR目前分為三大類：1）社交軟件（AR濾鏡）；2）軟件系統(tǒng)（ARKit、ARCore）；3）Web AR。3月，F(xiàn)acebook公布了一套內(nèi)置傳感器的智能手環(huán)設(shè)想，用以配合AR眼鏡使用。

    （3）微軟

    微軟是目前在B端最成功的公司，美國陸軍曾多次與微軟簽訂協(xié)議，購入超過20萬臺HoloLens 2，微軟也曾明確表示HoloLens 2不會進(jìn)入C端市場。

    此外，亞馬遜也投資過一家名叫North的初創(chuàng)公司。這家公司在2018年10月發(fā)布了一款名為“North Focals”的智能眼鏡。不同于笨重的頭顯，這款智能眼鏡相當(dāng)輕巧，和Echo Frames的功能類似，能進(jìn)行一些簡單的語音操控、消息收發(fā)。