Snapchat以5億美元收購WaveOptics，關于AR眼鏡的光學路徑再度引起業內討論與思考。WaveOptics采用的是衍射波導方案，即浮雕光柵波導方案中的二維光柵的浮雕光柵波導方案。

    中國的AR行業創業從2014年左右起步，近年來已經形成共識的是波導（Lightguide）方案是目前業內接受的主流，其中陣列波導（偏振薄膜陣列反射鏡波導，是幾何波導方案中的一種，代表公司是以色列的Lumus）、衍射波導（包括表面浮雕光柵波導、體全息光柵波導方案，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、創業公司Digilens）被認為是有可能解決C端大批量量產產品的光學方案。

    兩種方案也都有自己的不足，陣列波導繁冗的制造工藝流程導致總體良率較低；衍射波導的衍射色散導致圖像有“彩虹”現象和光暈。這也成為過去幾年，創業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）發布衍射光波導模組，產品型號名為LCE2104H。這是繼今年年初推出視場角40度光柵波導樣品，并宣告其光柵波導產品進入產品迭代設計、以及量產化準備階段之后，推出的的第一款量產產品。

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

    瓏璟光電衍射光波導產品研發生產全流程均自主完成，衍射光柵設計依托于自主知識產權，采用自主開發的衍射波導輔助設計軟件，自主創新的微光柵結構以及架構設計，與國際一線廠商相比，采用了全新的產品設計路線。產品的生產，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基地完成，基本實現生產制作過程可控，質量可控，時間周期可控。

    瓏璟光電，是國內為數不多同時在陣列波導、衍射波導兩個路線上做研發、產品的公司。目前其陣列波導鏡片今年的出貨量已達到去年全年的出貨量，明后年預計出貨量將達到至少3-5倍的增長。衍射波導鏡片預計在2021年Q4可實現每月K級的出貨量。

    因此，這個時間點，我們也與瓏璟的CEO聊了聊著兩個技術方案當下的全球研發進度。

    一、C端需求——低于100美元的可量產的光學方案

    一種業內的觀點認為，AR眼鏡只有低于1000元人民幣才有可能大規模普及。若以此倒推，兩片AR眼鏡的光學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測將在2022或2023年發布，成為當下AR領域最受關注的新聞。若蘋果發布AR眼鏡，手機廠商勢必跟進，光學模組的需求量大幅提升。

    蘋果此前已收購Akonia公司，在體全息光柵波導方案上深耕數年。蘋果享受更高品牌溢價，短期可以接受更高成本的光學模組方案。考慮到其技術投入與定價策略，短期內兩片光學模組的成本應該不會超過200美元。

    單片100美元目前成為了國內AR光學模組廠商可能要對標的價格。

    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（Lightguide）。前三者因為體積大，在C端應用具備一定的局限性，離軸全息透鏡所使用的全息片光學特性突出，具有大FOV和小體積的優勢，但是受限于眼動范圍比較小，目前還無法支持商業應用，但是作為儲備技術也會被持續關注。

主流光學方案

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

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

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

    采用體全息光柵波導方案主要是蘋果公司收購的Akonia公司。其主要產品就HoloMirror，只需一層用于顯示信息，就能夠實現在一個輕薄透明的鏡片上顯示動態的、全色彩、廣視域的圖像。但體全息衍射光波導的門檻是綜合性的，涉及到材料體系、設計軟件、系統設計仿真、體全息光柵制造工藝、體全息光柵后處理工藝。

    因此，近年來已經形成共識的是波導（Lightguide）方案是目前業內接受的主流，其中陣列波導、衍射波導被認為是有可能解決C端大批量量產產品的光學方案。

    在早期這兩種方案都有自己的不足：

    陣列波導需要擴瞳技術，為保證整個動眼框范圍內的出光量是均勻的，導致每個鏡面的鍍膜層數可能達到十幾甚至幾十層，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到高良率，這幾十步結合起來的總良率卻是一個挑戰。

    衍射波導方案中，衍射這個物理過程本身對于角度和波長的選擇性導致了色散問題的存在，主要表現為FOV和動眼框內的顏色不均勻即“彩虹效應”。光柵設計優化過程中，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三色并且能實現最大的FOV是業內面臨的挑戰。

    為了攻克這些不足，在過去幾年，創業公司一直在投入研發以尋找解決方案。

    二、衍射波導——解決工藝難題

    瓏璟光電從2017年便開始在衍射光波導方向布局，19年投入數千萬成立微納光學實驗室，實現衍射光柵產品小批量試產。同時，預計今年年內，位于深汕特別合作區的瓏璟光電生產基地全新的衍射光波導生產線將建設完成，在現有的小批量量產試產上，衍射光波導的產能將提升至K級每月。

    衍射波導的加工工藝中，第一步需要通過半導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，為全面實現衍射波導生產制作全流程全工藝的自主可控，瓏璟光電將進一步加大投入，購入母版制作加工的相關設備，引進更多微納高技術人才。

    1 瓏璟在衍射光波導的布局：1） 研發團隊和技術能力：

    瓏璟光電的AR光學注重理論基礎、擁有較強的光學設計和逆向光子優化設計能力，具備十余年光學領域科研經驗、在衍射光學和光學設計領域均有實踐。團隊的學術研究成果在包括Nature communication, Optics Letters、Applied optics , Optics Express、Journal of Optics、光學學報、中國激光等國內外知名光學期刊發表。是Optica，Optics Express, Applied Optics等期刊審稿人。

    瓏璟歐洲研究中心團隊擁有10年衍射光學經驗。團隊在Journal of physical Chemistry C，Optics Letters, Optics and Lasers in Engineering等刊物上發表文章多篇，是Optica，Optics Express等期刊審稿人，參與過歐盟科學研究項目2項。

    2）衍射光波導產品研發積累：設有700平的衍射光波導微納光學實驗室、有納米壓印實驗線，同時規劃有納米壓印量產線、電子束曝光設備和刻蝕設備，電鏡檢測設備等半導體光刻設備，目的是打通全部環節的衍射光柵波導加工和檢測產線；目前有團隊專注于衍射光波導產品研發設計。 3）自主開發的衍射光波導設計工具軟件：瓏璟光電開發有專用的光柵結構全電磁矢量分析軟件和衍射光柵波導設計軟件，這兩款軟件目前已經深度應用并成功用于設計衍射波導模組的工業開發。 4）衍射光波導專利布局情況：瓏璟光電目前主要布局在兩個方面，一是創新的光柵波導微結構，突破現有的常用的光柵波導微結構；二是創新的光柵波導架構設計，因為目前光柵波導使用的架構有兩種，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構，并部署了相關發明專利。這個就是全矢量計算電磁逆向優化出來的一種拓撲結構，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。

光柵結構

    5）海外研究中心和高校合作：

    持續跟進海外技術動態，依托瓏璟歐洲的研究中心，進一步加大落實歐洲高校的合作，同事加強國內產業化的能力；

    爭取國外完成原理性問題突破后，在12個月內做出類似效果的產品，并且依托國內產業化能力和客戶基礎，加大光柵產品的迭代和產業化，取得更多的客戶；

    針對前沿的技術如體全息和超表面等，持續保持關注和跟進，并已布局相關專利，來判斷他們可產業化的時間點，去做產業化相關的準備工作。

    6）衍射光波導客戶合作情況：衍射光波導模組由于體積可以做到更小，所以客戶范圍會更廣，除了傳統的工業、安防等B端應用，我們也和以國內消費電子行業的領導廠商為代表的C端客戶持續接觸，預計在衍射方向2021年可實現小批量出貨，找到有潛力的場景和客戶持續共同打磨產品。 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構進行曝光以固定樹脂。最后通過重復上述過程批量生產多圖案的壓印模具。在批量生產的過程中，使用多圖案的模具來生產表面浮雕光柵波導，然后使用功能性涂層覆蓋波導，并用激光切割技術分離，最后將不同結構的波導堆疊實現光學模組的制備。

    3 納米壓印設備：

納米壓印設備

    第一階段入廠的納米壓印設備包括高精度紫外納米壓印設備，勻膠+熱板設備，以及相關清洗設備等。高精度紫外納米壓印設備主要用于大批量壓印衍射光學器件，適用于浮雕光柵波導、全息元件等的批量壓印生產。可壓印高精度結構、高深寬比結構、以及斜光柵結構等，能夠全自動根據配方進行納米壓印。購入的設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，該設備支持自動復制柔性復合工作模具，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+熱板設備主要用于晶圓結構復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。相關清洗設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備可以滿足瓏璟光電初期得浮雕光柵波導得壓印工藝探索，以及小批量生產。

    4 納米壓印進度：

    基于購置的納米壓印相關設備和自己搭建的工藝表面處理設備，經過多輪的工藝摸索，已經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到設備商處進行處理，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印；二是對新膠水，包括模板膠水和壓印膠水的測試工作，形成一個穩定的膠水供應鏈和膠水工藝庫。如下兩個圖是目前納米壓印的SEM圖。

納米壓印的SEM圖

    5 自研發工具軟件：

    ARDesign為瓏璟AR波導片開發工具包，結合ZEMAX Optic Studio軟件，能快速自動化建模，評價分析波導鏡片成像質量。

ARDesign 操作區示意圖

建模實例圖

自研光波導設計軟件專利

    三、陣列波導——解決量產難題

    幾何波導方案中的偏振陣列波導，是目前產能最大的解決方案。

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

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

    截止到5月，瓏璟光學陣列波導鏡片今年的出貨量已達到去年全年的出貨量，明后年預計出貨量將達到至少3-5倍的增長。

    四、AR行業的出貨，需要C端AR產品拉動

    自Google Glass面世以來，AR眼鏡備受關注，但在全球范圍總共投產過幾十款。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美元的價格區間，三年來應用數量停留在二三百種，且沒有重量級應用。

    國內廠商的產品比較龐雜，包括不少棱鏡、自由曲面、 Birdbath方案。應用方向多為面向B端客戶，包括物流、警用、醫療、教育、汽車、文旅、安防、工業等應用場景。

    近一年來酷派，Rokid等也在推出C端產品，但是出貨量還很有限，據不完全統計總共只有每年幾千套的規模。

    目前，瓏璟光學的產能已經使開拓C端市場成為可能。今年下半年，其陣列波導鏡片月產量可達5K左右，衍射波導鏡片也可穩定出貨。而明年開始的增量會相當可觀，陣列波導鏡片產能會有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）質量優異；2）長續航；3）移動帶寬；4）應用生態；5）價格。雖然市場一直聚焦在AR眼鏡的形態和推出時間，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。當下，從公開信息推測，微軟、Facebook、蘋果三家公司在AR領域分別有著不同的規劃：

    （1）蘋果

    蘋果在2017年6月的WWDC開發者大會上發布了軟件解決方案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4年時間，但是依然沒有產品推出。外界有猜測認為蘋果將直接推出消費級C端產品。

    （2）Facebook

    Facebook此前已經公布在開發AR眼鏡的計劃，即去年四季度其與雷朋（Ray-Ban）達成合作，稱未來會合作推出首款AR眼鏡，不過可能要推遲到2023年才會推出。目前其主要的AR業務包括移動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（ARKit、ARCore）；3）Web AR。3月，Facebook公布了一套內置傳感器的智能手環設想，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議，購入超過20萬臺HoloLens 2，微軟也曾明確表示HoloLens 2不會進入C端市場。

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