深度报告-20250114-深圳市维深信息技术-从离轴透镜到光波导_91页_34mb

Wellsenn XR 光学方案总结

核心内容概述

本报告对AR光学方案进行了系统分析，涵盖AR光学原理、评价参数、光学方案类型及其发展历程。重点分析了光波导方案，包括其分类、技术原理、扩瞳方式、制造工艺及主要厂商，同时对比了其他主流AR光学方案如棱镜、离轴透镜、自由曲面及Birdbath方案。此外，还介绍了全息光学元件和超表面光学等前沿技术。

主要观点与关键信息

AR光学原理

AR光学通过改变屏幕光的传播方向，实现虚拟信息与现实环境的叠加显示，解决近眼聚焦、视场放大、环境透视和虚实叠加等关键问题。

• 近眼聚焦：通过光学透镜调节光路，使屏幕图像满足人眼聚焦条件。
• 视场放大：通过光路设计扩大人眼可观察的虚拟图像范围，视场角（FOV）是衡量标准。
• 环境透视：分为光学透视（OST）和视频透视（VST），OST在真实世界分辨率和延迟方面有优势，VST在遮挡效果和FOV方面表现更优。
• 虚实叠加：确保虚拟图像与现实环境自然融合，提升沉浸感和用户体验。

AR光学评价参数

1. 视场角（FOV）：衡量沉浸感和显示范围，是选择光学方案的重要依据。
2. 亮度：影响显示清晰度和对比度，户外使用需更高亮度。
3. 透光率：决定现实环境的清晰度和安全性，光波导方案透光率最高。
4. 光学效率：衡量光从光机到人眼的利用率，光波导方案效率较低。
5. 眼动范围（Eyebox）：显示清晰区域，影响佩戴舒适度和适用人群。
6. 出瞳距离（Eyerelief）：影响显示舒适度和模组厚度。
7. 厚度：影响佩戴体验和产品形态，光波导方案最轻薄。

光学方案类型及发展

光学方案分类

光波导方案分类

1. 几何光波导：利用反射原理，结构简单，成像质量好，但存在光路损失和制造复杂的问题。
2. 衍射光波导：利用光栅的衍射效应，存在彩虹效应和光散射问题。
3. 混合光波导：结合几何与衍射，提升显示效果和光效，但尚未成熟。
4. 孔阵光波导：采用小孔成像原理，光效低，产品较少。

光波导技术发展与挑战

技术原理

光波导由光机、波导和耦合器组成，光机发出的光线通过耦合器进入波导，利用全反射或衍射传播至人眼。

• 一维扩瞳：沿X轴扩展出瞳，适配较大瞳距范围。
• 二维扩瞳：沿X和Y轴扩展出瞳，显著提升FOV，但工艺复杂。

生产工艺

• 传统工艺：包括研磨、抛光、镀膜和贴合，流程繁琐。
• 胶合工艺：易老化、收缩，影响显示效果。
• 键合工艺：通过物理或化学作用力实现更稳定的贴合，提高良率和光学性能。

主要厂商及产品

光波导方案优势与劣势

优势

• 轻薄：适合消费级AR眼镜，接近普通眼镜形态。
• 高透光率：提升现实环境清晰度和安全性。
• 高FOV：提升沉浸感和用户体验。
• 易集成：可实现轻量化和高显示效果。

劣势

• 光学效率低：尤其在衍射光波导中，理论效率为0.1%-1%。
• 制造工艺复杂：良率低，量产难度大。
• 光路设计挑战：如彩虹效应、漏光等问题。
• 成本高：尤其在高端显示方案中。

光学方案发展趋势

随着AR在消费级市场的扩展，光波导方案因其轻薄、高透光率和逐渐成熟的量产工艺，被认为是未来3-5年的主流方向。目前多家厂商如雷鸟、INMO、Xreal、魅族等已推出或计划推出基于光波导的AR设备。

此外，微纳工艺与超表面光学等前沿技术也展现出潜力，可能成为未来AR光学的创新方向。

光学方案对比

光学方案未来展望

随着技术的不断演进，光波导方案在轻量化、高透光率、高FOV等方面持续优化，逐步成为消费级AR设备的首选方案。同时，其他技术如全息光学元件和超表面光学也值得关注，为AR光学提供更多可能性。