维深WellsennXRAR光学专题研究报告2024从离轴透镜到光波导91页_31mb

Wellsenn XR 光学方案总结

核心内容

AR光学技术经历了多个发展阶段，包括棱镜、离轴透镜、自由曲面、Birdbath以及光波导方案。随着消费级AR设备需求的增长，光波导方案因其轻薄、高透光率及成熟的量产工艺，正逐渐成为主流选择。目前，多家厂商如雷鸟、INMO、Xreal、魅族等已推出或即将推出基于光波导的AR设备。

主要观点

1. 光波导方案的优势：光波导方案通过光路延长和光折叠，实现近眼显示与现实环境透视的结合，具有高透光率、高光学效率和轻量化优势，是未来消费级AR设备的重要发展方向。
2. AR光学评价参数：包括视场角（FOV）、亮度、透光率、光学效率、眼动范围（Eyebox）、出瞳距离（Eye relief）和厚度。这些参数直接影响用户体验和设备性能。
3. 光波导方案分类：包括几何光波导、衍射光波导、混合光波导和孔阵光波导。不同方案各有优劣，且在技术发展和量产方面存在差异。
4. 技术挑战与趋势：光波导方案在技术上仍面临良率低、工艺复杂等瓶颈，但随着技术进步，特别是二维扩瞳和新型光栅技术的引入，其未来应用前景广阔。

关键信息

AR光学方案分类与性能对比

AR光学评价参数详解

• 视场角（FOV）：影响沉浸感和显示范围，AR设备通常在30°~70°之间。
• 亮度：入眼亮度需满足不同场景需求，一般在300~3000nit之间。
• 透光率：影响环境光的透过性，光波导方案可达85%~90%。
• 光学效率：光波导方案效率较低，通常为0.1%~1%，而自由曲面方案可达30%~80%。
• 眼动范围（Eyebox）：影响用户佩戴舒适性，需适应不同瞳距。
• 出瞳距离（Eye relief）：影响显示清晰度和佩戴体验。
• 厚度：光波导方案厚度最小，通常在1mm~2mm之间，是AR眼镜轻薄化的重要方向。

光波导方案发展趋势

• 二维扩瞳技术：通过X、Y轴方向的多次扩展，提高FOV和Eyebox范围，同时减少光机体积。
• 纳米压印与刻蚀工艺：用于制造衍射光栅，提高良率和光效。
• 偏振体全息光栅：具有高透过率和低光损，但尚处于研发阶段。
• 材料优化：采用高折射率材料和新型膜层技术，提升光波导性能。

光波导方案分类

几何光波导

• 技术原理：利用半透半反镜面阵列反射图像信息，实现无散射的高画质显示。
• 优点：图像质量高、杂散光少、能量分布均匀。
• 缺点：工艺复杂、良率低、光效受限。
• 核心厂商：Lumus、灵犀微光、理派光晶、亮亮视野等。

衍射光波导

• 技术原理：利用光栅的衍射特性改变光传播方向。
• 分类：
  • 表面浮雕光栅波导（SRG）：亮度高、视场角大，但偏色严重。
  • 体全息光栅波导（VHG）：光效低，但具有高亮度和大视场角。
  • 偏振体全息光栅波导（PVG）：仍在研发阶段。
• 核心厂商：Microsoft、Magic Leap、Sony、TruelifeOptics、Digilens、Akonia等。

混合光波导

• 技术原理：结合几何光波导和衍射光波导的优点，采用偏振折返式光学。
• 优点：图像质量好、光效高。
• 缺点：技术复杂、量产难度大。
• 核心厂商：未完全列出，但代表厂商正在探索该方向。

孔阵光波导

• 技术原理：利用小孔成像原理实现光线的扩展。
• 优点：图像质量好。
• 缺点：光效低、镜片厚重、视觉体验受限。
• 应用现状：产品较少，仍在探索阶段。

光波导工艺与挑战

• 胶合工艺：工艺成熟但良率低、成本高、存在老化问题。
• 键合工艺：自动化程度高、良率提升显著，是二维扩瞳方案的关键。
• 制造难点：包括镀膜精度、光路设计、光效提升、材料适配等。

AR光学方案发展历史

AR光学经历了从棱镜到光波导的演变，逐步趋向轻量化和高透光率。光波导方案的出现解决了传统光学方案的诸多限制，成为消费级AR设备的发展趋势。

总结

光波导方案因其轻薄、高透光率和良好的佩戴体验，正在成为消费级AR设备的首选。随着技术进步和工艺优化，特别是二维扩瞳和新型光栅技术的发展，光波导方案有望在未来3~5年内实现大规模应用，成为AR眼镜的主流形态。