一文看懂：AR产业金钥匙——衍射光波导
在华为发布的《5G时代十大应用场景白皮书》中，预计2025年AR的市场空间将超过VR，达到1510亿美元。据IDC预测，2019至2023年期间，AR眼镜的复合年增长率高达140.9%。谷歌、微软、苹果、索尼、Facebook等巨头以及一些国内厂商，纷纷将重金投入到被誉为AR产业金钥匙的关键技术——衍射光波导。
AR是什么？与VR有什么区别？为什么说AR的市场空间增长速度将远高于VR？AR眼镜有哪些核心部件？是什么制约了AR眼镜的规模商用？衍射光波导是什么黑科技？如何设计制造衍射光波导？衍射光波导领域的玩家有哪些？如何看待光波导玩家的现状与未来？今天，我们就来和大家用“白话”聊一聊这些话题。
01
AR是什么？与VR有什么区别？
对于VR，生涩的定义咱们就不说了，直接上动图。
▲AR眼镜，来自Youtube▲
VR的名字（Virtual Reality，虚拟现实）很贴切，带上VR眼镜之后，我们看到是一个完全的“假的”世界，是一个虚拟出来的世界。与此同时，也意味着，我们看不到现实世界了， “瞎了”。动图中的那个妹子被套在一个“围栏”里，就是为了避免这个“瞎子”摔个狗啃泥。
那么问题来了，带上了VR眼镜，我就“与世隔绝”了。能不能有种眼镜，在看到现实世界的同时，又能看到虚拟世界？嗯，这实际上就是AR眼镜被发明的缘由。来，看看下面的动图，了解一下AR眼镜。
透过这个眼镜我们不仅能看到真实世界，也能看到虚拟图像，而且这个虚拟图像是和真实世界相关联的。比如说，一个外卖小哥，他接到订单之后，在他的眼镜上就能看到订单信息和取外卖的地图导航，取完外卖后，眼镜上再显示出送外卖的地图导航。透过AR眼镜的图像，是对真实世界的一个“增强”，所以眼镜的名字自然也就是“增强现实”眼镜了。
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相比VR，AR的发展速度更快
由前面我们对AR和VR的对比可以看出，相比VR，AR实现了人类更多的愿望：既能看到真实世界，又能看到虚拟世界。如果把VR比作“熊掌”的话，AR就是人们心目中的“鱼和熊掌”。
作为“鱼和熊掌”的AR眼镜，其技术复杂度自然远高于VR，另外由于生产规模小、良品率低等原因，导致当前AR眼镜的价格远高于VR眼镜（比如微软的HoloLens 2的价格高达3500美金，而市场上的主流VR眼镜价格仅300~400美金）。目前，AR眼镜的价格虽然可以由安防、工业和金融等组织机构所承担，但对大部分个人消费者来说还是难以承受的。
虽然AR眼镜当前价格高，但AR眼镜相关技术已经进入了快速成熟期，制约其成本的一系列难题将得以解决，AR眼镜价格有望在2020年快速下降到500~600美金，并在随后几年中进一步降低。根据IDC的VR/AR分析报告预测，2019~2023年，VR眼镜的复合年增长率是46.7％，而同期AR眼镜的复合年增长率则高达140.9%。
▲AR/VR产业发展预测图，来自IDC▲
03
AR眼镜的结构与关键技术
如下图所示，从基础结构上说，无论是VR眼镜还是AR眼镜，都与手机的架构并无差异。主要由输入传感器、输出系统、电源、计算、存储和通信模块所构成。AR/VR与手机之间关键区别，在于光学输出系统（显示系统）。
▲AR/VR眼镜基础架构图，黑猫警长008整理▲
除了光学输出系统外，VR/AR所需要的其他硬件基本与手机类似，大部分均已较为成熟。当前制约VR/AR发展的硬件技术瓶颈，在于光学显示系统。
相比手机的显示系统，VR眼镜的显示系统需要实现高清晰度、高刷新率、高可视角度（FOV）、低功耗、低散热、低重量和小型化等一系列要求。
而AR眼镜则更进一步，不仅要达到VR眼镜的一系列要求，还需要能够将光学输出显示在透明镜片上。这一看似简单的“小目标”，却令AR眼镜的光学系统结构完全不同于VR眼镜，复杂度和成本大幅上升。虽然显示技术在最近几十年来快速发展，但是业界却一直难以拿出一个性能相对可靠，并有可能以低成本大规模量产的AR光学显示方案。直到2010年，诺基亚公司的Tapani Levola博士发明了用于近眼显示的衍射光波导技术，才让AR行业看到了曙光。随着AR产业的不断发展，衍射光波导已被业界誉为 “AR产业的金钥匙”。
04
衍射光波导和他的“先辈”们
虽然是“金钥匙”，但是在衍射光波导出现之前，还是有很多“先辈”的。它们主要有棱镜、自由曲面、全息反射薄膜，以及一个“近亲”几何光波导。不同的厂商，由于自身的“屁股”原因，对于哪个技术能“继承大统”自然有不同的“认知”。如果我们要从技术上去识别这些光学系统孰优孰劣，怕是100篇论文也说不清。那怎么就能知道这些技术谁能最终拔得头筹呢？咱们的“捷径”是看看业界大咖的实际选择，毕竟，不管嘴上怎么说，身体都是很诚实的。
大咖们各显神通，有的收购（谷歌、Intel、苹果、索尼、三星），有的自研（Facebook、Waveoptics），而微软，“动手”最早也最直接，直接聘用了发明人。但不管用什么方式，大咖们无一例外的都选择了衍射光波导技术。
▲衍射光波导相关厂商列表，黑猫警长008整理▲
至于说衍射光波导技术的各位“先辈”呢，其实大部分都还“健在”，但是随着“后浪”衍射光波导的快速发展，这些“前浪”怕是会陆续在“沙滩”上相会了。
05
衍射光波导的技术原理和分类
所谓光波导，简单说就是让光在设计好的路径中传播。而衍射光波导，则是利用了光的衍射特性，来设计并实现“光路”。还记得曾经学过的物理学知识吗？衍射，需要小孔或者“栅栏”来实现。衍射光波导实现的技术方法之一，就是在光学平面上“刻”出一道道“栅栏”（术语为光栅），让光线按照设计好的路径传播。
在下图的左下角的方框处，俗称 “光机”。光机负责把电信号转为光学影像，可以把光机简单的理解为一个投影仪。而光波导呢，则负责将来自“投影仪”影像最终传递到眼睛里。光波导，由光学镜片及镜片上的光栅构成。图中的光波导是一个比较经典的光波导结构，由三片光栅区域构成。左下角的第一片光栅是输入光栅，负责接收光信号，并将光传递到右下侧的“转折”光栅区。转折光栅区一方面对光线进行水平扩瞳（下文详述），另外再将光线传递到右上角的输出光栅。输出光栅对光线进行垂直扩瞳（下文详述），并最终将光线输出，投射到人眼中。
▲传统衍射光波导原理，图片来自Digilens▲
那么上面说的扩瞳是什么意思呢？这得先提到FOV（Field Of View，可视角度）。回忆一下我们见过的早期的电脑显示屏，如果正对着显示屏看是可以看到影像的，但如果在显示屏旁边看，则看不清了。也就是说早前的显示屏FOV的角度比较小，后来随着显示器技术的发展，FOV逐步被扩大了，新的显示器也就不再存在从侧面看不清的问题了。
▲FOV示意图，来自giganti.co▲
而光波导技术中的“扩瞳”，就是将低FOV的输入变为高FOV的输出。由于扩瞳同时存在水平和垂直两个方向，因此传统的衍射光波导都需要两个光栅进行二维“扩瞳”，再加上输入光栅，那就需要3片光栅区了。
大家自然会想到一个问题，一个镜片上，需要3片光栅，但真正人眼能看到的只有输出光栅一区域，岂不是浪费了镜片上的大量空间？有没有办法把输出光栅变得更大一些？实际上，Waveoptics已经获得突破并有成品光波导，而Facebook和微软也随后申报了类似的专利技术。
▲传统衍射光波导原理，图片来自Waveoptics▲
上面的动图是传统的衍射光波导，而下图的动图则是Waveoptics发明的新型光栅，将传统的3个光栅区变为2个，输出光栅区面积比传统方式大了很多。
▲新型衍射光波导原理，图片来自Waveoptics▲
在Facebook于2018年提交的专利中，将输出光栅区大大“扩容”。
▲Facebook 衍射光波导专利图，来自Google Patent网站▲
在微软于今年提交的专利中，同样将输出光栅区大大“扩容”。
▲微软衍射光波导专利图，来自uspto.gov网站▲
说完衍射光波导的原理，我们再来看看光栅的两个子类：表面浮雕光栅和体全息光栅。
▲显微镜下的表面浮雕光栅（间隔为400纳米），来自toppan.co.jp▲
表面浮雕光栅（Surface Relief Grating），顾名思义，是“浮雕”出来的光栅结构，其制造工艺与制造芯片的工艺类似，叫做纳米压印（Namo-imprint），后面我们再详细讲。
▲体全息光栅，来自andor.com▲
而体全息光栅（Volume Holographic Grating）则是一种通过全息曝光技术生成的光栅。需要强调的是，体全息光栅只是其生产工艺使用了全息曝光技术，光栅本身并不会产生全息图像。怎么理解体全息呢？可以把它理解为一个可以被曝光“显影”的涂层，这个涂层被激光曝光后可以形成折射率不同的条纹，也就是另外一种形态的光栅。而所谓体全息，是在一个涂层中进行多次全息曝光，从而在同一个“体积”中，保存有多重条纹。
业界的微软、MagicLeap、Vuzix和Waveoptics等大部分厂商，使用的均为表面浮雕光栅技术，并且已经有了规模量产的产品。而体全息光栅技术，仅有苹果、索尼和三星使用，而且市面上尚未有量产成品。
06
表面浮雕光栅衍射光波导的产业链
由于体全息光栅目前尚未形成完整的产业链，产业链部分本文仅讨论表面浮雕光栅。在说产业链之前，我们有必要先了解一下表面浮雕光栅的设计与生产流程。
▲表面浮雕光栅设计及制造流程，黑猫警长008整理▲
工艺流程分为三个阶段，分别是母版、步进母版和成品阶段。这个过程类似饼干工厂压制饼干的流程。
第一步是要设计并制造单个饼干模子（母板），第二步是用母板在一块大板上压出多个图样，形成一个大模子，第三步就是用大模子批量的压制成品。
▲表面浮雕光栅设计制造流程及相关厂商，黑猫警长008整理▲
虽然表面浮雕光栅的设计和制造产业链涉及到众多厂商，但是在母版和步进母版部分，并没有太多瓶颈，原因是这部分的原材料和制造设备与半导体产业同源，已经相当成熟。表面浮雕光栅的关键技术集中在光栅设计和高折射率原材料领域。
在光栅设计领域，前文提到的微软、MagicLeap、Facebook、Waveoptics和苹果都在力争设计出高FOV、低色散的光栅。在这些公司中，与微软、Facebook等大公司相比，Waveoptics似乎显得名不见经传，但这家公司实际上在光栅设计领域拥有重要的话语权。Waveoptics是一家英国公司，由两位光学专家创建。在创建Waveoptics之前，这两位创始人曾经是BAE公司的光学部负责人。BAE公司全名英国航空航天公司，是全球第三大军品公司，著名的台风战斗机就来自BAE。而台风战斗机所使用的衍射光波导头盔，就来自于BAE的光学部（即Waveoptics创始人所掌管的部门，呵呵）。
▲台风战斗机，图片来自BAE▲
▲BAE战斗机头盔使用了衍射光波导技术，图片来自BAE▲
而在玻璃原材料领域，主要有2个玩家，一家是美国的康宁，一家是德国肖特。康宁大家耳熟能详，iPhone屏幕上用的著名的大猩猩玻璃，就来自康宁。康宁公司已经有超过150年历史，目前是世界上最大的特种玻璃公司。另外一家肖特也不简单，这家公司曾经在蔡司旗下，有超过135年的历史。
前面提到我们希望光波导的FOV尽量的大。要增加FOV，一方面要有好的光栅设计，另外一方面则需要高折射率的玻璃。折射率越高，光波导的FOV越大。当前康宁和肖特都推出了折射率超过1.7的产品，而且这两家公司都表示折射率可以进一步提高。
而在纳米压印设备领域，基本上都被一家德国公司所垄断，那就是EV集团（EVG）。
07
衍射光波导领域的国内厂商
从上面的产业链图表我们发现，产业链中的公司仅来自美、英、德、日这四个国家。中国公司难道集体缺席？
在衍射光波导核心技术和材料领域，我们不得不接受的现实是，中国距离欧美日还有距离。但衍射光波导既然是“金钥匙”，中国的厂商自然不会熟视无睹。当前已有歌尔股份和水晶光电两家中国公司成功打入到了核心产业链中。
歌尔股份，在2018年和2019年先后两次投资光波导设计公司Waveoptics。这两次C轮投资一共3千万英镑（约3亿人民币），获得了Waveoptics公司33%的股权。另外歌尔即将发行的可转债中，将有10亿人民币投入到衍射光器件的研发和制造，预计2021年可形成500万件年产能。
水晶光电，在2018年与肖特共同投资设立浙江晶特光学科技有限公司(简称“晶特光学”)。晶特光学注册资本1.35亿元人民币，其中水晶实际持有晶特光学的54%股份。预计晶特2021年可形成440万件AR晶圆的年产能。
前面我们提到，衍射光波导发展的关键，一在于光栅设计，二在于高折射率玻璃。歌尔与水晶光电这两家中国公司，分别在这两个关键领域投入重金，成功打入了核心产业链。
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总结
AR产业的巨大市场空间吸引了众多玩家相继投入其中，而衍射光波导这一新兴技术，被誉为打开“AR产业”的金钥匙，更成为国外巨头争相重金投入的关键领域。美、英、德、日四个国家在核心产业链早做布局，甚至在部分环节上形成了垄断的局面，而中国厂商却一度缺席衍射光波导朋友圈。
可喜的是，中国厂商歌尔股份和水晶光电不甘人后，运用自己的智慧，成功打入了衍射光波导的核心产业链。
相信在歌尔和水晶的引领下，中国将会涌现出更多的企业，不仅在AR应用领域，更能在衍射光波导这一核心技术领域，为中国赢得一席之地。