香港腕表价格交流群

光波导方案规模化应用受阻 光场技术有望助力AR实现B端向C端迈进

华强微电子 2022-08-23 14:02:49



近来,随着索尼、微软以及苹果等国际知名科技巨头相继入驻AR产业,AR也日渐抢去VR的风头,成为当下智能硬件领域的“风华正茂”的技术之一。而在索尼以及微软引领的新一代AR光学技术革命中,光波导方案也逐渐成为继离轴光学、棱镜以及自由曲面之后,时下最为盛行的AR光学方案。不过,由于光波导镜片在加工工艺、良品率以及FOV等方面陷入困局,基于光波导方案的AR产品在规模化应用以及To C市场的推进上仍存在诸多困难,而随着光场技术的崭露头角,光波导技术或将逐渐隐退,AR产业的发展也会迎来新的“飞跃”。 

工艺与良品率拉动成本上升光波导方案规模化应用受阻

对于一种以显示为重心的智能硬件产品而言,光学无疑是其最终的核心关键技术。而AR在光学方案领域曾经历了三代技术方案淘汰式的演变,时下流行的光波导则是继离轴光学、棱镜以及自由曲面之后,在AR硬件上整体性价比最高的一种光学方案。在光波导系统中,波导镜片是其核心的功能性元器件,深圳增强现实技术有限公司CEO苏波在接受《华强电子》采访时表示,光波导事实上只是一种光的传输形式,其本质上是一种扁平的光纤,光可以在光纤中近乎无损的传播而实现全反射。但相比之前的棱镜反射以及自由曲面而言,光波导成像的优点是其成像效果和光路的还原度要高很多,同时光学损耗以及体积都能够做到更小,这也是微软、索尼以及Lumus等业界大牛选择光波导技术的主要原因。不过,任何技术都有其自身缺陷,光波导当然也不例外,由于难以让光线耦合出来,因此偶尔会出现杂光导致重影,造成部分图像不清晰。

深圳增强现实技术有限公司CEO苏波


尽管从整体上来看,光波导相比前几代光学方案有了实质上的进步,但由于光波导镜片在加工工艺、成本以及良品率方面的缺陷,进而也阻滞了该技术的规模化应用。对此,北京灵犀微光技术合伙人王耀彰在接受《华强电子》记者采访时表示,与传统光学镜片加工工艺相比,光波导镜片的加工工艺要难很多。就拿微软以及索尼的全息波导方案来讲,全息波导镜片在生产过程中,R、G、B三原色的每一层都需要经过特殊方向的激光来做进一步的曝光,然后在涂有特殊材料的镜片表面进行光学处理,最终才能形成所需要的全息光栅。在此过程中所使用的激光光强、中心频率、带宽、相干性以及材料的配方、曝光时间、曝光温度等这些指标都是需要经过许多次反复的光学实验才能获得最优的方案。而且,这些参数也都无法通过简单的光学分析反推出来,因此在成千上万次的实验寻找最佳参数的过程中,这种随机性也极大的提升了技术开发以及工艺生产的难度,同时也成倍地提升了镜片本身的各种成本,因此阻碍了光波导方案规模化的应用。相比当下火热的VR头显所采用的光学技术,AR光学方案的门槛可谓是高出了很多倍。


除了工艺方面难度很高之外,生产光波导镜片的专用设备的稀缺也是影响AR产品成本高和难以落地的重要因素,苏波告诉记者,就以我们公司所采用的光波导反射镜片为例,它的成像主要是依靠外部的光学反射镜片将光最终反射到人眼当中,这就要求外部的反射镜片要非常平整,对光波导镜片的镜面平行度、面型精度以及光滑度都有着非常严苛的要求。目前市场上,几乎不存在专门针对光波导镜片的加工设备,因此国内外AR厂商也只好选择使用一些老式的磨片机或者其他的一些设备来进行光波导镜片的批量加工。但这种方式存在的问题很多,首先由于设备的精密程度以及工艺与光波导镜片的各项指标难以磨合,因此会在各个环节削减最终成品镜片的精度,而且会在各个工艺环节都产生较高的加工成本,但这仍然不能提升光波导镜片最终的良品率。“据我了解,目前光波导镜片的良品率平均仅能达到35%左右,因此镜片成本居高不下也实乃无奈之举,而且我们做的一些市场调查数据显示,目前市面上的单个光波导镜片的价格在1000—2000美金之间,像我们这一类想要做双镜片的AR眼镜的企业,仅两片镜片的成本就需要花费大约3000美金以上,因此当前市面上的AR产品价格居高不下是显而易见的。”苏波表示。


而与深圳增强现实公司所采用的光波导反射方案相比,微软的Hololens以及索尼所采用的全息光波导方案虽然更为高端,但其成本也是成倍数的增长,苏波进一步强调道,全息光波导镜片在工艺实现上,除了对以上所述的三原色都需要定向曝光、镜片表面特殊光学处理以及在其他各项指标上的复杂要求之外,贴合工艺上也存在很高的难度,比如微软的Hololens所采用的全息光波导镜片,就需要在镜片上一层层均匀的镀上很多层的反射膜,这对于镀膜的技术及精度有很高的要求,如果某一层的镀膜在均匀度和精度上不达标,镜片最终的良品率也就会很低,这也是我们当初没有选择使用全息光波导方案的主要原因。而我们所采用的光波导反射方案,在镀膜上相比全息光波导而言相对容易一些,而且整个光机的价格只有全息波导方案的四分之一到五分之一,在成本上已经有了指数级的下降。


由此看来,光学波导方案要想进一步市场化,最根本的就需要在生产工艺、良品率等方面上下功夫,这样才能真正降低光波导镜片的整体成本,推动该技术的落地,对此,苏波进一步补充道,想要真正实现制造工艺上的升级并非易事,这需要一个规模化的市场来驱动,首先需要这种产品在市场价值和保有量上达到一定的水平,之后才能进一步拉大市场对该产品的需求,进而驱动基础制造厂商对现有的制造工艺进行优化升级,以达到光波导镜片生产的基本工艺要求;其次,在光波导镜片量产之后,也需要考虑镜片的安装问题,因为在我们的实践中,经常会遇到镜片表面因安装而产生轻微的膨胀,这也会成百倍地放大最终的成像误差和调焦误差,所以镜片表面的安装工艺和设计也是尤为必要的。只有二者兼备,才能真正提升镜片的良品率,进而促进整个市场的良性循环。

光波导方案FOV成壁垒   B端走向C端市场愿景幻灭                                 

尽管光波导方案受工艺和良品率等因素的制约,但这并不能阻止其向B端市场快速拓展,相比前三代配备离轴光学、棱镜以及自由曲面方案的AR产品而言,以光波导技术为主流的AR由于在视场角上也更具优势,因此实现了AR向B端应用市场的跨越。不过,随着该技术自身技术壁垒的显现,光波导技术想要实现由B端走向C端也逐渐成为业界的一大难题。


对此,王耀彰表示,相比上一代的棱镜方案,光波导解决了AR在“棱镜时代”所面临的很多问题,特别是在视觉效果上相比前几代的离轴光学以及棱镜反射技术提升了很多倍,且能做到更大的FOV角,这些都是前几代技术所不能相比的。而离轴和棱镜方案视场角偏小的主要原因还是由于其光学设计本身所考虑的近轴近似问题所导致的。换句话说,考虑了近轴近似之后,离光轴越近的光线还原度更高,而离光轴远的光线则还原度更低,因此我们就能够很容易看见图像质量上的显著差异。而光波导方案则是在设计及计算的环节就已经绕过了近轴近似的问题,因此我们看到的光波导阵列就能够保持不同方向的光线(大角度光线)的性状一致性,从而对还原度不会有所影响,也能够很好的满足AR当前在B端市场领域的应用。

苏波也向记者透露,虽然目前大部分的AR厂商都瞄准C端娱乐市场,但实际上都是会从B端市场开始拓展。就目前来看,AR的应用市场主要分布在工业、培训、营销推广以及展览展示等B端领域。就拿我们公司的产品来讲,我们当前的主要应用场景还是在工业领域,比如飞机及汽车维修、电力设备检测以及制造设备的维护保养等,而营销推广以及培训等其他B端场景相比工业场景而言,应用规模相对较小,这主要是因为这些领域有更多其他可替代的低成本方案,因此对于新技术的需求不像工业领域那么大,所以目前的B端市场还是以工业应用为主。


在工业领域,苏波进一步补充到,传统的ERP系统和E-Learning系统已经无法适应现在的智能生产、制造、维修、培训等应用场景。由于一线员工不能解放双手,几乎使用不到互联网和信息技术,管理人员也无法管理到一线员工的工作细节;传统的企业面授和在线培训也无法解决员工“学时不能用,用时不能学”和“遗忘曲线”的困境,这些都是工业应用领域当前的痛点所在,因此也就构成了工业场景对AR技术的刚需。目前我们已经与航空维修、汽车维修和培训、电力巡检维保、军工应用等领域多个企业展开了合作,2016下半年AR设备出货量1000套以上,所以在工业领域的应用价值还是很高的。

针对目前采用光波导技术的AR设备能否匹配工业应用场景的技术要求,苏波表示,工业领域对于AR产品的FOV还是有一定的要求的,过去利用棱镜或者自由曲面方案所实现的AR设备视场角普遍偏小,最高也只能做到20°左右,这显然不能够满足工业领域的应用要求,AR也因此在过去几年并没有获得一定规模的应用。如今的光波导反射技术方案,能够让AR的视场角做到30°到40°左右,国外的Lumus更是可以做到55°左右,满足工业领域应用要求是完全不成问题的。


而与VR不同的是,AR的FOV想要获得进一步扩展不仅很难,甚至于采用当前的光波导方案已近乎不可能,因此从B端走向C端只能算是天方夜谭。对此,王耀彰则表示,现有的光波导方案所能达到的FOV是有上限的,就当前水平来看,光波导方案的视场角最高也只能达到50°到60°左右,而再向上扩展已经是不可能了,这是该方案自身难以逾越的技术壁垒。不过,这也顺应了AR光学方案更迭的定律,随着离轴、棱镜以及自由曲面方案的没落,光波导成为这个时间区间内的主导,但随着光波导也走入衰退期,将会出现一些新的流行方案来顶替。但就目前来看,光波导仍然还会继续在AR领域盛行。

苏波对此表示赞同,“要想做到更大的FOV,仅凭现有的光波导技术是不可能的,因此业内有了MagicLeap以及微软等其他的一些领军企业开始研究新的AR光学方案,来实现更大FOV的扩展。但就目前以光波导方案为主流的情况来看,FOV要想达到90°以上是不现实的,不过这也给新一代技术方案的出现创造了机会。”

光场方案或将打破僵局真正落地仍需解决小型化问题

正如上文所述,随着光波导技术逐渐步入衰退期,再加上C端市场对于AR需求的快速增长,一些企业开始寻求新的技术方案来打破僵局。业内诸如微软以及MagicLeap公司都在努力布局新一代的光场技术。但与Magicleap采用光纤阵列显示所不同,微软则是采用“光波导+光场”组合的模式来进一步提升Hololens的视场角,目前已经披露了相关专利,但真正落地还需要一定的时间。虽然Maigcleap采用了光纤阵列显示技术,但由于光场数据量以及计算量都过大,因此在该技术的小型化方面也存在争议。

对此,苏波则表示,“目前光场技术已经开始崭露头角,并已经实现了实验室水平的应用突破,但由于对计算量以及其他诸多方面的高要求,Magicleap也因此迟迟未给出实际的产品。但根据我从硅谷的朋友那里获得的消息显示,MagicLeap目前主要遇到的问题就是设备整体体积过大,AR头戴显示器几乎等同于我们在理发店看到的烫发机那么大,因此在小型化方面还有一段比较长的路要走。”

深圳光场视觉有限公司COO赵清泉


深圳光场视觉有限公司COO赵清泉在接受《华强电子》采访时表示,虽然离真正落地还需要一定的时间,但相比光波导方案,光场技术并不存在FOV受限这一类的问题,光场技术的FOV理论上可以做到无限扩大,最终能够达到全视角的水平,这是诸如光波导以及棱镜方案所不具备的优势。而我认为,在未来5-6年的时间里,光场技术能够做到将AR的视场角扩展至180度左右,这对于C端市场来说,显然是一个爆炸性的机遇。

虽然光场技术当前并不如光波导那般盛行,但从技术发展的时间段上来讲,光场技术与光波导技术还是处于同一个发展时期的。赵清泉补充道,光场技术在业内不那么流行,主要还是光场技术实现的难度以及技术门槛高所致,国内并没有多少企业有能力去从事该方面技术的研究以及相应产品的落地。不过,随着业内对光场技术研究水平的日渐提升,小型化问题也将会逐步被解决,而代替现有的光波导方案成为AR光学技术领域的主流也是必然之势。届时还能够实现AR与VR一体化,实现双向的转换,全面打开AR/VR的应用市场。


更多行业资讯可访问华强电子网-商情资讯栏目 

欢迎关注华强微电子


《华强电子》杂志赠阅活动

请发送“杂志”或数字“2”了解

Copyright © 香港腕表价格交流群@2017