定義：衍射光波導(dǎo)是目前較為流行的AR眼鏡光學(xué)方案，比較有代表性的產(chǎn)品如Hololens 1和Hololens 2、Magic Leap One 等。
衍射光波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)在于透明度高、結(jié)構(gòu)輕薄，光柵自由度高，可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角。但衍射光波導(dǎo)技術(shù)門檻高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度極大，復(fù)雜的光刻工藝使得成本高居不下。衍射光波導(dǎo)的可量產(chǎn)性、體驗(yàn)得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，但部分產(chǎn)品存在一定混色色移問題，以Hololens 2為例，擴(kuò)大一倍視場(chǎng)角后，加工難度有所提升，一些色彩顯示問題便浮現(xiàn)出來(lái)了。
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延伸閱讀：
隨著AR產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，衍射光波導(dǎo)已被業(yè)界譽(yù)為?“AR產(chǎn)業(yè)的金鑰匙” 。
衍射光波導(dǎo)和他的“先輩”們
雖然是“金鑰匙”，但是在衍射光波導(dǎo)出現(xiàn)之前，還是有很多“先輩”的。它們主要有棱鏡、自由曲面、全息反射薄膜，以及一個(gè)“近親”幾何光波導(dǎo)。不同的廠商，由于自身的“屁股”原因，對(duì)于哪個(gè)技術(shù)能“繼承大統(tǒng)”自然有不同的“認(rèn)知”。如果我們要從技術(shù)上去識(shí)別這些光學(xué)系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣，怕是100篇論文也說不清。那怎么就能知道這些技術(shù)誰(shuí)能最終拔得頭籌呢？咱們的“捷徑”是看看業(yè)界大咖的實(shí)際選擇，畢竟，不管嘴上怎么說，身體都是很誠(chéng)實(shí)的。
大咖們各顯神通，有的收購(gòu)（谷歌、Intel、蘋果、索尼、三星），有的自研（Facebook、Waveoptics），而微軟，“動(dòng)手”最早也最直接，直接聘用了發(fā)明人。但不管用什么方式，大咖們無(wú)一例外的都選擇了衍射光波導(dǎo)技術(shù)。
▲衍射光波導(dǎo)相關(guān)廠商列表，黑毛警長(zhǎng)008整理▲
至于說衍射光波導(dǎo)技術(shù)的各位“先輩”呢，其實(shí)大部分都還“健在”，但是隨著“后浪”衍射光波導(dǎo)的快速發(fā)展，這些“前浪”怕是會(huì)陸續(xù)在“沙灘”上相會(huì)了
衍射光波導(dǎo)的技術(shù)原理和分類
所謂光波導(dǎo)，簡(jiǎn)單說就是讓光在設(shè)計(jì)好的路徑中傳播。而衍射光波導(dǎo)，則是利用了光的衍射特性，來(lái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)“光路”。還記得曾經(jīng)學(xué)過的物理學(xué)知識(shí)嗎？衍射，需要小孔或者“柵欄”來(lái)實(shí)現(xiàn)。衍射光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法之一，就是在光學(xué)平面上“刻”出一道道“柵欄”（術(shù)語(yǔ)為光柵），讓光線按照設(shè)計(jì)好的路徑傳播。
在下圖的左下角的方框處，俗稱?“光機(jī)”。光機(jī)負(fù)責(zé)把電信號(hào)轉(zhuǎn)為光學(xué)影像，可以把光機(jī)簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)投影儀。而光波導(dǎo)呢，則負(fù)責(zé)將來(lái)自“投影儀”影像最終傳遞到眼睛里。光波導(dǎo)，由光學(xué)鏡片及鏡片上的光柵構(gòu)成。圖中的光波導(dǎo)是一個(gè)比較經(jīng)典的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由三片光柵區(qū)域構(gòu)成。左下角的第一片光柵是輸入光柵，負(fù)責(zé)接收光信號(hào)，并將光傳遞到右下側(cè)的“轉(zhuǎn)折”光柵區(qū)。轉(zhuǎn)折光柵區(qū)一方面對(duì)光線進(jìn)行水平擴(kuò)瞳（下文詳述），另外再將光線傳遞到右上角的輸出光柵。輸出光柵對(duì)光線進(jìn)行垂直擴(kuò)瞳（下文詳述），并最終將光線輸出，投射到人眼中。
▲傳統(tǒng)衍射光波導(dǎo)原理，圖片來(lái)自Digilens▲
那么上面說的擴(kuò)瞳是什么意思呢？這得先提到FOV（Field Of View，可視角度）。回憶一下我們見過的早期的電腦顯示屏，如果正對(duì)著顯示屏看是可以看到影像的，但如果在顯示屏旁邊看，則看不清了。也就是說早前的顯示屏FOV的角度比較小，后來(lái)隨著顯示器技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)OV逐步被擴(kuò)大了，新的顯示器也就再存在從側(cè)面看不清的問題了。
▲FOV示意圖，來(lái)自giganti.co▲
而光波導(dǎo)技術(shù)中的“擴(kuò)瞳”，就是將低FOV的輸入變?yōu)楦逨OV的輸出。由于擴(kuò)瞳同時(shí)存在水平和垂直兩個(gè)方向，因此傳統(tǒng)的衍射光波導(dǎo)都需要兩個(gè)光柵進(jìn)行二維“擴(kuò)瞳”，再加上輸入光柵，那就需要3片光柵區(qū)了。
大家自然會(huì)想到一個(gè)問題，一個(gè)鏡片上，需要3片光柵，但真正人眼能看到的只有輸出光柵一區(qū)域，豈不是浪費(fèi)了鏡片上的大量空間？有沒有辦法把輸出光柵變得更大一些？實(shí)際上，Waveoptics已經(jīng)獲得突破并有成品光波導(dǎo)，而Facebook和微軟也隨后申報(bào)了類似的專利技術(shù)。
▲傳統(tǒng)衍射光波導(dǎo)原理，圖片來(lái)自Waveoptics▲
上面的動(dòng)圖是傳統(tǒng)的衍射光波導(dǎo)，而下圖的動(dòng)圖則是Waveoptics發(fā)明的新型光柵，將傳統(tǒng)的3個(gè)光柵區(qū)變?yōu)?個(gè)，輸出光柵區(qū)面積比傳統(tǒng)方式大了很多。
▲新型衍射光波導(dǎo)原理，圖片來(lái)自Waveoptics▲
在Facebook于2018年提交的專利中，將輸出光柵區(qū)大大“擴(kuò)容”。
▲Facebook 衍射光波導(dǎo)專利圖，來(lái)自Google Patent網(wǎng)站▲
在微軟于今年提交的專利中，同樣將輸出光柵區(qū)大大“擴(kuò)容”。
▲微軟衍射光波導(dǎo)專利圖，來(lái)自u(píng)spto.gov網(wǎng)站▲
表面浮雕光柵衍射光波導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)鏈
由于體全息光柵目前尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)鏈部分本文僅討論表面浮雕光柵。在說產(chǎn)業(yè)鏈之前，我們有必要先了解一下表面浮雕光柵的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)流程。
▲表面浮雕光柵設(shè)計(jì)及制造流程，黑毛警長(zhǎng)008整理▲
工藝流程分為三個(gè)階段，分別是母版、步進(jìn)母版和成品階段。這個(gè)過程類似餅干工廠壓制餅干的流程。
第一步是要設(shè)計(jì)并制造單個(gè)餅干模子（母板），第二步是用母板在一塊大板上壓出多個(gè)圖樣，形成一個(gè)大模子，第三步就是用大模子批量的壓制成品。
▲表面浮雕光柵設(shè)計(jì)制造流程及相關(guān)廠商，黑毛警長(zhǎng)008整理▲
雖然表面浮雕光柵的設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)業(yè)鏈涉及到眾多廠商，但是在母版和步進(jìn)母版部分，并沒有太多瓶頸，原因是這部分的原材料和制造設(shè)備與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)同源，已經(jīng)相當(dāng)成熟。表面浮雕光柵的關(guān)鍵技術(shù)集中在光柵設(shè)計(jì)和高折射率原材料領(lǐng)域。
在光柵設(shè)計(jì)領(lǐng)域，前文提到的微軟、MagicLeap、Facebook、Waveoptics和蘋果都在力爭(zhēng)設(shè)計(jì)出高FOV、低色散的光柵。在這些公司中，與微軟、Facebook等大公司相比，Waveoptics似乎顯得名不見經(jīng)傳，但這家公司實(shí)際上在光柵設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有重要的話語(yǔ)權(quán)。Waveoptics是一家英國(guó)公司，由兩位光學(xué)專家創(chuàng)建。在創(chuàng)建Waveoptics之前，這兩位創(chuàng)始人曾經(jīng)是BAE公司的光學(xué)部負(fù)責(zé)人。BAE公司全名英國(guó)航空航天公司，是全球第三大軍品公司，著名的臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)就來(lái)自BAE。而臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)所使用的衍射光波導(dǎo)頭盔，就來(lái)自于BAE的光學(xué)部（即Waveoptics創(chuàng)始人所掌管的部門，呵呵）。
▲臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)，圖片來(lái)自BAE▲
▲BAE戰(zhàn)斗機(jī)頭盔使用了衍射光波導(dǎo)技術(shù)，圖片來(lái)自BAE▲
而在玻璃原材料領(lǐng)域，主要有2個(gè)玩家，一家是美國(guó)的康寧，一家是德國(guó)肖特?？祵幋蠹叶炷茉?，iPhone屏幕上用的著名的大猩猩玻璃，就來(lái)自康寧?？祵幑疽呀?jīng)有超過150年歷史，目前是世界上最大的特種玻璃公司。另外一家肖特也不簡(jiǎn)單，這家公司曾經(jīng)在蔡司旗下，有超過135年的歷史。
前面提到我們希望光波導(dǎo)的FOV盡量的大。要增加FOV，一方面要有好的光柵設(shè)計(jì)，另外一方面則需要高折射率的玻璃。折射率越高，光波導(dǎo)的FOV越大。當(dāng)前康寧和肖特都推出了折射率超過1.7的產(chǎn)品，而且這兩家公司都表示折射率可以進(jìn)一步提高。
而在納米壓印設(shè)備領(lǐng)域，基本上都被一家德國(guó)公司所壟斷，那就是EV集團(tuán)（EVG）。
衍射光波導(dǎo)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)廠商
從上面的產(chǎn)業(yè)鏈圖表我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)鏈中的公司僅來(lái)自美、英、德、日這四個(gè)國(guó)家。中國(guó)公司難道集體缺席？
在衍射光波導(dǎo)核心技術(shù)和材料領(lǐng)域，我們不得不接受的現(xiàn)實(shí)是，中國(guó)距離歐美日還有距離。但衍射光波導(dǎo)既然是“金鑰匙”，中國(guó)的廠商自然不會(huì)熟視無(wú)睹。當(dāng)前已有歌爾股份和水晶光電兩家中國(guó)公司成功打入到了核心產(chǎn)業(yè)鏈中。
歌爾股份，在2018年和2019年先后兩次投資光波導(dǎo)設(shè)計(jì)公司W(wǎng)aveoptics。這兩次C輪投資一共3千萬(wàn)英鎊（約3億人民幣），獲得了Waveoptics公司33%的股權(quán)。另外歌爾即將發(fā)行的可轉(zhuǎn)債中，將有10億人民幣投入到衍射光器件的研發(fā)和制造，預(yù)計(jì)2021年可形成500萬(wàn)件年產(chǎn)能。
水晶光電，在2018年與肖特共同投資設(shè)立浙江晶特光學(xué)科技有限公司(簡(jiǎn)稱“晶特光學(xué)”)。晶特光學(xué)注冊(cè)資本1.35億元人民幣，其中水晶實(shí)際持有晶特光學(xué)的54%股份。預(yù)計(jì)晶特2021年可形成440萬(wàn)件AR晶圓的年產(chǎn)能。
前面我們提到，衍射光波導(dǎo)發(fā)展的關(guān)鍵，一在于光柵設(shè)計(jì)，二在于高折射率玻璃。歌爾與水晶光電這兩家中國(guó)公司，分別在這兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域投入重金，成功打入了核心產(chǎn)業(yè)鏈。
總結(jié)
AR產(chǎn)業(yè)的巨大市場(chǎng)空間吸引了眾多玩家相繼投入其中，而衍射光波導(dǎo)這一新興技術(shù)，被譽(yù)為打開“AR產(chǎn)業(yè)”的金鑰匙，更成為國(guó)外巨頭爭(zhēng)相重金投入的關(guān)鍵領(lǐng)域。美、英、德、日四個(gè)國(guó)家在核心產(chǎn)業(yè)鏈早做布局，甚至在部分環(huán)節(jié)上形成了壟斷的局面，而中國(guó)廠商卻一度缺席衍射光波導(dǎo)朋友圈。
可喜的是，中國(guó)廠商歌爾股份和水晶光電不甘人后，運(yùn)用自己的智慧，成功打入了衍射光波導(dǎo)的核心產(chǎn)業(yè)鏈。
相信在歌爾和水晶的引領(lǐng)下，中國(guó)將會(huì)涌現(xiàn)出更多的企業(yè)，不僅在AR應(yīng)用領(lǐng)域，更能在衍射光波導(dǎo)這一核心技術(shù)領(lǐng)域，為中國(guó)贏得一席之地。
延伸閱讀來(lái)源： https://xueqiu.com/8552745795/133678299
