光波導能拯救AR嗎？——對話靈犀微光CEO鄭昱

光學顯示是AR眼鏡最核心的技術，光波導則是目前巨頭們都在追逐的光學顯示明星方案。

微軟的HoloLens採用全息光波導的技術，成為當前效果最好的AR眼鏡；

Magic Leap曾憑藉自己「吹噓」的光纖掃描光場技術，融資超過20億美元，不過近來專利顯示其放棄了難以攻破的光纖掃描技術，轉為多層光波導；

Google曾與採用陣列光波導的Lumus洽談收購；

蘋果與廣達電腦合作研發基於波導AR眼鏡，18年起在全球尋找光波導供應商；

華為內部斥資數十億研發光波導技術並在全球尋找光波導供應商。

然而，懂光波導技術的人卻並不多，不少媒體人、投資人看光波導的項目也是雲里霧裡。

7月7日，AR光學顯示技術提供商靈犀微光召開了一場閉門科技體驗會，CEO鄭昱系統講解了目前AR顯示技術發展的情況、光波導技術能如何促進AR發展、光波導技術面臨的幾大難題以及對下一代AR技術的展望，也介紹了靈犀微光三種最新的AR光波導技術。雷鋒網在會後對鄭昱進行了專訪，也深入了解了光波導技術的產業發展狀況。

光波導何以成為巨頭們的選擇？

開場的三分鐘，鄭昱簡單科普了AR顯示的光源系統原理。

在現實生活中，我們的眼睛能看到物體是因為物體的光線被人眼所捕捉到，進入視網膜上，通過晶狀體的聚焦，在視網膜上成像。有時候光線會發生折射，比如把筷子放進水杯的時候，人眼看到的其實是筷子的虛像，它的位置其實跟實際物體的位置有所偏移。通過光線折射，人眼能捕捉到虛像，這是最主要的AR原理。

以Google Glass為例，其光學顯示系統主要由投影儀和稜鏡組成。投影儀把圖像投射出來，然後稜鏡將圖像直接反射到人眼視網膜中，與現實圖像相疊加。

但是，這一套系統，存在一個視場角vs體積的天然矛盾。Google Glass有15度的視場角，光學鏡片10mm厚度；愛普生的AR眼鏡有23度的視場角，13mm厚度；ODG有50度的視場角，超過20mm厚度；而Meta有90度視場角，超過50mm厚度。視場角越大，光學鏡片就越厚，體積越大。這些AR眼鏡無論採用的是稜鏡或者自由曲面的方案，都是通過對基本AR光學系統結構和位置改變，來平衡視場角和體積之間的矛盾，在鄭昱看來，沒有真正的突破。

要解決這一矛盾，同時獲得大的視場角和小的體積，光波導方案是不二之選。那麼，光波導如何解決視場角&體積的矛盾？

光波導的定義是：能夠實現視場摺疊和復原，並且通過全反射無損傳輸的光系統。

光波導系統包括耦入、波導、耦出三部分。具體的流程是，首先，一個大視角的完整圖片會被切割成若干塊，然後摺疊起來形成一個視場細條，這樣就可以通過很小的光學鏡片耦入，耦出部分再將切割後的圖片復原完整。耦入部分其實做的事情就是視場摺疊，耦出部分實現的是視場復原，波導實現光線無損傳輸。

這樣一來，光波導就可以在輕薄的光學鏡片實現大的視場角。

理論來說，波導可以實現60度或者以上的視場角。我們看到現在HoloLens的視場角為35度，這兩天的消息也透露出Magic Leap的水平視場角為40度。那麼，為什麼現在主流的產品都是40度左右？鄭昱解釋到，現在光學材料存在天然的生產限制，致使產品視場角很難從40度到60度。

光波導面臨的難題

光波導方案聽起來很美好，但是光波導的生產卻是荊棘叢生。

鄭昱介紹到，目前光波導存在以下三個難點：耦入部分體積難以縮小、光波導固有明暗條紋的問題、光波導採用全新工藝量產難度大。

第一個問題，現在光波導元件80%的重量都在耦入部分，要想縮小整體體積就得縮小耦入部分體積。我們現在看Lumus的眼鏡，耦入部分的體積還是很大，整個眼鏡體積大，佩戴也不美觀離普通眼鏡還差得很遠。

第二個問題，光波導的明暗條紋問題在很多情況下被認為是光波導的理論極限。看過光波導的人都知道，通過光波導看圖像，相對於其他的比較簡單的方案是有一條條的明暗條紋出現的。因為光波導在耦入和耦出時對圖像進行了切割和復原，那麼圖像就會產生一部分的重疊和分離，重疊的地方會更明亮，分離的地方會更暗淡，就會造成明暗條紋不均勻的現象。

第三個問題是量產問題。很多媒體報道說光波導無法量產，但是其實微軟已經做到量產出貨了，去年的數據是出貨量已經超過6萬。鄭昱談到，「我認為，說光波導無法量產，其實是很多傳統廠家在推進光波導的時候，他們覺得困難重重，舉步不前，無法推進，所以他們最終得出的結論是光波導無法量產。」

但是實際上，要解決光波導量產的問題有兩個關鍵因素，第一，要找出決定良品率的關鍵因素。光源系統是一個非常複雜的系統，有各種因素會混合在一起，如果最後出現了一個次品，很難發現是由於什麼原因造成的。第二，很多做光波導的廠家，他們都是光學傳統工藝出身，光波導這個東西雖然跟傳統工藝非常相關，但是如果不能講出一些新的工藝水平，其實很難解決光波導的問題。

靈犀微光三大新光波導產品 

此次閉門分享會，除了科普和行業分析外，鄭昱也介紹了自家產品的全新動態。主要包括：光波導顯示模組AW60實現年10萬片量產、新一代光波導顯示模組AW61、推出樹脂波導AWP30。此外，還介紹了靈犀在研發的AR顯示技術升級方案「光波導+微晶元光場掃描」，以解決視覺輻輳調節衝突（VAC）這一關鍵瓶頸。

第一個產品，AW60。

2017年，靈犀微光研發出光波導方案AW60，採用LCOS 像源，可以做到36° 視場角，1.7mm 鏡片厚度。AW60的突破在於較大程度地縮小了耦入模塊體積，比Lumus的產品耦入模塊在體積上縮小一半。通過對新工藝不斷摸索鑽研，找出了限制良品率的關鍵因素，實現AW60穩定量產。

第二個產品，AW61。

AW61在AW60基礎上解決了明暗條紋的問題，在對比度和光能利用率上有明顯的提升。

(明暗條紋解決之前）

(明暗條紋解決之後）

雷鋒網編輯在現場體驗了AW60和AW61。Mini-Glass是基於AW60的參考樣機，搭載多種感測器，支持雙目3D顯示。從體積上看，Mini-Glass已經很接近於普通眼鏡，耦入部分稍微還有些體積。Mini-Glass的佩戴感覺還不錯，視場角和HoloLens差不多，畫面有縱深感。但是，AW60鏡片有較為明顯的明暗條紋問題，有些影響畫面。

相比AW61體驗起來，已經沒有明暗條紋，但是依然還有一些藍色的薄霧感。鄭昱介紹，靈犀微光在一年時間內，決了90%光柵明暗條紋問題。以後則會越來越好，這是一個逐漸追求極限的過程。AW61整體重量不超過23克，也能實現更輕薄的AR眼鏡。

第三個產品，樹脂波導AWP30。

我們的眼鏡一開始採用的是玻璃，然後改變成更輕更抗摔的樹脂。靈犀微光也推出了樹脂材料的光波導AWP30。從體驗上來看，AWP30的視場角明顯更小，然後顯示的圖像色彩和亮度都遠遠比不上AW60和AW61。不過樹脂可以應用在運動場景，安全性更強，樹脂的成本也更低。

下一代AR顯示方案 

光波導系統的基本原理都是一樣，但是由於工藝的不同，也分為不同的種類。在AR領域只有兩類最重要的光波導，一類是衍射光波導（全息光波導），另一類是陣列光波導。做全息光波導的不超過四家，主要是微軟和Waveoptics。陣列光波導以Lumus為代表，靈犀微光採用的也是陣列光波導。

從色彩的一致性上來說，全息光波導比陣列光波導要差很多。在佩戴微軟HoloLens時，如果你快速轉動頭部或者你看純白的物體的話會出現彩虹效應。全息光波導如果要量產，需要很大規模資金投入，基本上是10億以上，因此現在除了微軟以外，還沒人能量產全息光波導。

雷鋒網曾發文分析，Magic Leap目前的光學方案是多層光波導，相比起全息光波導和陣列光波導，Magic Leap還解決了人眼動態調焦的問題。

我們都知道，人眼其實只能捕捉二維，然後因為雙目的視差的原因，能實現一個偽3D的效果。人在看近處物體和遠處物體時會轉動轉動雙眼，產生視覺輻輳，同時還需要對不同距離的光進行屈光調解，將光線聚焦到視網膜上才能成清晰的像。

VR和AR都是用左右屏顯示同一物體不同角度拍攝的畫面，來形成3D效果。然而屏幕發出的光線並沒有深度信息，眼睛的焦點就定在屏幕上，因而眼睛的焦點調節與這種縱深感是不匹配的，從而產生視覺輻輳調節衝突（VAC現象）。

要想解決這個問題，就要從人眼成像的原理上出發，讓VR設備展現的畫面可以有深度信息，也就是光就要從空間立體中的點發射出來，讓人眼的視覺輻輳和焦點匹配，光不僅要有強度還要有方向，那就是光場顯示技術。所謂場，就是將光線以場的形式記錄下來，使得最終能夠還原場景任意位置的任意光線信息的一種模式。從效果上講，光場技術實際上是一種記錄和重現真實而完備的3D場景的過程。

Magic Leap 一開始宣傳他們採用了光纖掃描光場顯示技術（FSD）、光子光場（通過聚焦/深度平面解決視覺輻輳調節衝突）、以及被稱為「光場晶元」的衍射波導。官方描述稱：我們的光場光子產生不同深度的數字光，並與自然光無縫融合，從而將逼真的虛擬物體疊加至真實世界中。

然而，雷鋒網曾發文分析，Magic Leap最終放棄了難以實現光纖掃描，還是選擇了光波導方案，不過他們採用了多層光波導方案來實現他們承諾的動態調焦。

鄭昱介紹到，多層光波導其實現的原理是，系統動態地去觀察雙眼看到的距離的位置，系統得到距離反饋後，動態地調整系統的距離，現在Magic Leap通過六層光波導，實現在一米處和三米處兩個距離的深度的像。那麼當你佩戴AR眼鏡時，你看遠處和看近處就能獲得不同的深度感知。

然而，靈犀微光高級光學工程師小康曾向雷鋒網進行過專業解讀，這是一種偽光場效果，是介於平面顯示和光場顯示之間的一種樸素地實現深度信息的一種方式。並且Magic Leap這種光學系統成本會特別高，因為如果要實現五個距離，就要十五個波導片，成倍的增長光學系統的成本以及複雜性。

光場顯示很難實現，那有沒有其他替代方案呢?

靈犀微光提出了「微晶元掃描光場」，這個方案的原理是：在微晶元光場方案中，會有一個微米級激光束打到視網膜上，通過微晶元控制，直接在視網膜上「畫」出圖像。也就是說，微晶元光場直接避免了會產生VAC現象的晶狀體調焦過程，無論人眼聚焦位置在何處，圖像的顯示都是清晰的。

在鄭昱看來，這種方案比微軟HoloLens所採用的雙目視差3D方式和Magic Leap採用的多層光波導方式在技術實現難以程度、計算量、體積、成本等多個方面都有優勢。

雷鋒網編輯現場也體驗了這個還處於demo階段的技術。微晶元掃描光場模組比AW61大兩倍左右。顯示的內容是一個視頻，但是都是單色的文字。當視線看著幾米之外時，文字成像很清晰，然後當把手放在模組前面，眼鏡看著手掌時，文字成像同樣清晰，就像是顯示在了手掌上。

鄭昱表示，微晶元掃描光場主要解決VAC現象，未來還是要搭配光波導技術。微晶元掃描光場通過激光投影掃描的形式將圖像傳入人眼，現階段已經能正常顯示色彩完整圖像，色彩飽和度和還原度都高於市面上其他光學方案。微光場技術在文字信息顯示具備優勢，顯示效果清晰，加上全焦距清晰成像的特點能夠讓近視的人在不戴眼鏡的情況下也能看清，極度擴大了使用範圍。

目前，微光場技術已經完成原理驗證，還未在器件體積和整體散熱上做優化，靈犀微光在後續迭代升級中也會逐步改進這些問題。考慮到行業上下游的發展進度和狀態，微光場技術預計2019年年中會有更接近產品形態的原型出現，未來24個月內或將迎來量產。

光波導能拯救AR嗎？

我們看到，巨頭都在布局光波導，這說明這一技術方案確實有前景。微軟有自己的全息光波導方案，蘋果也在做光波導，那麼，靈犀微光等做光學的創業公司的市場和機遇在哪裡？

鄭昱告訴雷鋒網：「首先，大公司會選用光波導作為AR產品的光學方案，但是他們不會將每一個核心元器件都自己做。例如，微軟的全息方案是2013年採用被收購的初創公司的核心技術；蘋果在尋找適合它第一代AR眼鏡產品的光波導供應商；Google投資了Magic Leap並曾與以色列光波導技術企業Lumus洽談。

其次，光波導技術壁壘高，生產工藝複雜，量產難，需要很長時間的技術深耕和積累。目前世界範圍內擁有光波導技術的公司都在此領域積累了很長時間，例如早在2010年就成立的英國AR公司Waveoptics，以及2012年成立的以色列公司Lumus，都已經歷了不短的時間。靈犀微光從2014創立至今用4年時間實現光波導技術從研發到生產的全鏈過程，即便已大大縮短了整個過程所用時間，但也需要4年。AR設備預期在2021年迎來爆發，在接下來的2年半時間內從頭開始積累難度頗大，這對於巨頭來說進場時間太晚，代價太大。

因此，對於像我們專註在光學顯示的創新創業公司來說，有非常大的發展機會。整個AR市場規模非常大，無論是科技巨頭，還是在創業階段的整機或方案公司，都需要有優質的底層顯示技術支撐，才能在下一個大的技術平台突出重圍。」

雷鋒網發現，雖然巨頭都在布局AR，但是目前AR眼鏡的應用場景很受限。很多公司難以找到AR眼鏡真正的利基場景。靈犀微光對其光波導鏡片的實際應用場景聊得不多，但是這個問題或許是現在最大的痛點問題。

目前，AR眼鏡主要面向B端市場，在工業、安防、醫療等場景有不錯的商業落地。這些領域對AR效果並沒有很高的要求，核心訴求在於如何配合場景解決實際問題。在這方面我們看到光學顯示技術不那麼強，依然採用稜鏡方案的「亮亮視野」等眼鏡廠商，也能憑藉挖掘場景做到大規模商業落地。

但是，C端市場不一樣，C端市場對顯示、對體驗的要求極高。雷鋒網曾報道，蘋果將在2020年發布AR眼鏡，或許又將迎來一個全新的篇章。蘋果專註於C端，且對自己的產品有著極高的要求，不等到時機成熟絕不推出產品。鄭昱也告訴雷鋒網，可以說一旦蘋果AR眼鏡發布，標誌著AR行業將會正式邁向C端市場。

在雷鋒網看來，AR眼鏡在C端市場軟硬體的成熟，或許會是光波導的機遇。當然，如果光波導的成本降至足夠低，體積足夠輕，B端市場或許都會從稜鏡、自由曲面等方案轉為光波導方案。

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