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AR光学及显示方案发展现状及预测
发布时间:2023-05-09    来源:华映资本 | 王思睿   阅读次数:7166 分享到:

AR未来已来的口号已经喊了好几年,但IDC在日前的一份报告中预测,AR头显(头戴显示器)到2022年底的全球发货量为26万台,同比下降8.7%。造成这个结果的原因可能是多方面的,比如主要厂商的财务状况不稳定、新款设备不具颠覆性或者杀手级的AR应用迟迟不出。与销量下降相呼应的是苹果等大厂的AR始终“犹抱琵琶半遮面”。

平静的水面下其实暗流涌动,OPPO、小米为代表的国内大厂纷纷推出Micro LED+波导的单绿色试验性整机,Nreal为代表的创业公司则采用更为成熟的Micro OLED/LCOS+BB彩色方案,直接剑指C端并已经取得不错的初售业绩,颇有种春秋时期百家争鸣、百花齐放的感觉。

之所以说当前AR整机竞争更像是春秋而不是战国,有一个重要的原因是因为整个光学显示方案技术在大家眼中还未收敛,似乎每一个方案都有可能在未来突出重围,又似乎每一个方案都会因为自身的局限突然倒下,光学显示方案就在这乱世纷争中逐步迭代、完善自身。

也许等尘埃已定、未来有人一统六国的时候,我们稍微停下脚步,回头再看如今这个时点,会发现AR光学显示方案的格局其实较为清晰,有一些技术路径也已经刀锋凌厉了。本篇文章就将对目前AR光学显示方案(光机+光学成像)的技术路径做出分析。 

image.png「本文作者」华映资本投资总监王思睿,长期关注光学半导体、新能源、通信领域的投资机会。欢迎创业者及投资机构与我们踊跃交流, BP可发送至:siri.wang@meridiancapital.com.cn 

萝卜白菜、各有所爱:现阶段不同的场景里会有不同的AR光学显示方案

目前AR的应用场景按照使用者身份不同,可以分为2B、2G和2C。2B一般应用在工业检测维修、仓库厂房管理或是机场火车站安检等领域,2G一般应用在军用头盔、瞄准镜上,2C也可以再细分为室内影音娱乐终端或是室外综合移动终端。

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这些不同的场景对光学显示方案要求差别很大。2B和2G的应用场景里单绿光完全可以满足使用要求,视场角或是分辨率也不用十分出色。依据具体应用场景在室内或是室外,会对光学显示方案的亮度进行调节。但在2C领域单色只是过渡方案,全彩时代终将来临,这就对光机和光学成像都有很高的技术要求。目前的全彩光机要么体积大、要么亮度低、要么成本高,而光学成像技术要么体积大、要么光效率低,这就使得目前客观上没有一种光学显示方案能够兼具全彩、高亮、体积小、成本低的特性。

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既然没有完美的光学显示方案,那就要在每个场景里找到最适合的光学显示方案。比如在2C的室内影音娱乐场景里,室内光强低,甚至可以在AR眼镜上盖上眼罩,这样就不需要有高亮的显示,那么Micro OLED+BB的方案就完全可以解决问题,这也是Nreal采用该光学显示方案的重要原因。

即使未来有了能和手机媲美的全彩、高亮室外的AR移动终端,但OLED+BB的方案由于具有更低的成本,短时间内仍旧会在室内影音娱乐或是工业检测维修场景里占有一席之地。

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人中吕布、马中赤兔:AR剑指下一代移动终端就需要下一代的光学显示技术,Micro LED+波导应是技术收敛方向

目前来看,不同的场景里会有不同的AR光学显示方案,但如果AR要做成能媲美手机的移动终端,或者至少做到iWatch这样的辅助性移动终端,那么光学显示方案就要兼具全彩、高亮、体积小、成本低的特点,目前已经成熟的光学显示方案无法同时做到这些,这就需要下一代的光学显示技术来解决这些问题。

光机方面 

1.       Micro LED是几无争议的光机最终方案

一款完美的光机应该在量产后具备高亮、体积小、成本低的特点。LCOS和DLP方案属于较为成熟的光机方案,但因为是反射光源来发光,所以体积较难压缩;Micro OLED过低的亮度使其在最终方案中早早出局;而LBS因为是扫描式结构,所以均匀性、鲁棒性都较差,客观上限制了体积缩小和成本降低的能力,未来在升级迭代中要克服的困难较多;而Micro LED是自发光光电转化效率高,体积小、亮度高、功耗低、响应时间短,尽管目前有红光发光效率差、量产工艺不成熟导致成本高等问题,但由于其使用半导体工艺,在迭代和量产方面天生有优势,故被认为是最适合AR光机的最终方案。

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具体来讲,Micro LED技术是指以自发光的微米量级的LED为发光像素单元,将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。结构上从下到上一般为CMOS驱动层、发光层(小灯泡)、光学器件层(准直光束),目前分为两类,(1)用于手机、电视的大屏(通常涉及巨量转移技术)和(2)用于AR的小屏(行业又称单片集成,本文讨论范围)。

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2.       Micro LED仍需克服层层技术障碍

用于AR小屏的Micro LED根据色彩又可划分为单色和RGB全彩。单色Micro LED难度已经很高,工艺上需要克服两个核心的问题,即RGB各颜色的外延和键合能力。

外延方面主要是由于尺寸效应(主要是因为尺寸缩小,芯片的周长面积比增大,导致侧壁的表面复合增多,非辐射复合速率变大,从而导致发光效率下降,红光尤为严重)和刻蚀导致的侧壁缺陷,还要考虑掺杂和防卷曲等问题,需要有非常多的know-how积累。

键合方面主要是指发光层和CMOS之间的键合工艺,传统是采用倒装的方法,具体是指将发光材料和驱动芯片都在晶圆基础上划片成小芯片,一片一片地倒装,这样速度慢、良品率也并不会提高;比较先进的方法是芯片级键合,是指在发光层和驱动层上都先做好结构,把两片晶圆直接去对准,这样难度非常高,尤其是像素小于4μm就很难对准;工艺上综合来看最好的是晶圆级键合,是指直接将发光层倒扣在驱动层上(先键合),把发光层的蓝宝石彻底去除,然后根据驱动的位置在发光层上做结果,这样不会有对齐的问题,驱动在哪里,发光像素就做出来在哪里。

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如果是RGB全彩方案难度又要有几何倍数的上升,常见的几种方式包括三色棱镜合光、量子点光致发光和垂直堆叠,基本都处于demo或者更早的阶段,大规模量产和降本尚需一定的迭代时间。

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3.       下游整机成熟或将加速Micro LED技术迭代

目前国内的主要玩家有JBD、镭昱、思坦、诺视、君万等,技术来源主要是来自香港科技大学等高校和云南北方奥雷德等企业。目前JBD的单绿色产品已有小规模量产经验,其余企业陆续将单绿色送测并积极寻找商业机会。全彩方面,尽管技术尚未收束,但行业竞争格局相对比较清晰,三色棱镜合光和量子点方案或是全彩最先实现量产的方案。在当前下游整机逐步成熟的大背景下,上游的技术迭代会被逐步加快。

波导方面

1.       作为移动终端的AR需要波导

光波导(optical waveguide)是利用光的全反射原理引导光波在其中传播的介质装置,相比于棱镜、Birdbath等方案更轻薄、高透、视场角更大,如果AR要做成移动终端,那波导就是最终的Mr. Right。

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2.       阵列和衍射波导的爱恨情仇

AR主流的波导技术分为阵列光波导和衍射光波导,其中衍射光波导又分为表面浮雕光栅光波导和全息光栅光波导。 

阵列光波导是通过“半透半反”镜面阵列进行扩瞳。每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼,剩下的光线透射过去继续在波导中前进。然后这部分前进的光又遇到另一个“半透半反”镜面,从而重复上面的“反射-透射”过程,直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。

阵列光波导的主要问题是加工过程十分繁杂(比如每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层,镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合,然后按照一个角度切割出波导的形状,镜面平行度、切割角度都要设计好且很精准),需要将几十步工艺结合起来总良率挑战难度高。每一步工艺的失败都可能导致成像出现瑕疵,常见的有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。同时还有外观缺陷,关掉光机的情况下仍然可以看到镜片上的一排竖条纹(即镜面阵列),可能会遮挡一部分外部视线,二维扩瞳遮挡面积更大,也影响了AR眼镜的美观。

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表面浮雕光栅光波导原理是利用浮雕光栅耦进耦出,即用入射光栅来将光耦合入波导,然后用出射光栅代替镜面阵列。即像蛇一样在波导里面“游走”的全反射光线在每次遇到玻璃基底表面的光栅的时候就有一部分光通过衍射释放出来进入眼睛,剩下的一部分光继续在波导中传播直到下一次打到波导表面的光栅上。表面浮雕光栅光波导在设计上要特别关注色散、色彩均匀性和光学效率的问题,在工艺上也要特别注意母版制作和子版拼版等问题,技术壁垒也很高。

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全息光栅光波导原理是利用全息材料耦进耦出,相邻结构间折射率差值太小导致衍射效果没有浮雕光栅方案好,该方案材料是关键,现在市面上没有特别能拿得出手的成品。

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在波导的1.0时代,阵列和衍射波导互相攻击对方的技术路径存在瑕疵,阵列diss衍射色散问题难以解决,彩虹纹严重是先天疾病无法治愈,此外还有国外的专利问题;衍射diss阵列工艺过于繁杂,量产堪忧,良品率难以达到要求。

但经过了几年的技术迭代,双方的这些初始问题已经逐步得到解决,这里举个例子——衍射的色散问题。色散问题的本质是因为红绿蓝三色光因为波长不同,不同波长的光即使入射角一致,在光波导走的路线也不一样,和光栅交汇的次数不一样,产生的光学效果也不一样。

目前已经可以通过(1)采用多片波导,不同片波导通过不同波长的光;(2)每片波导中光栅结构的槽深h和占空比δ不同,这样可以调节每片波导传递的光的波长和光耦出的效率两种方法来解决。行业内普遍采用2层波导,第一层红光和部分绿光,第二层蓝光和部分绿光的方案,我们就曾在国内某表面浮雕光栅波导龙头公司试戴过demo,彩虹纹现象已经基本得到解决。

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再比如说阵列的量产问题,随着镀膜和键合工艺的成熟,现在阵列的量产能力已经有很大的进步,我们认为,以中国的光学冷加工工艺水平,阵列的量产问题会比预想的更乐观,建议在波导2.0时代还是应以发展的眼光看待问题。目前波导的核心问题应是量产问题,谁能先实现量产,并在客户更改不同需求时能够快速进行光学设计并调整量产工艺,谁就是最终的赢家。我们相信在当前行业中,波导的3.0时代会很快到来。

综上,对于一款以移动终端为目的的AR来说,当前阶段的光学显示方案在大方向上是收敛的,但在子技术路径上确实需要市场逐步进行验证。 

灵境中的平行时空:成功的光学显示方案下我们未来的生活

以上是关于AR光学显示方案技术方案的一些探索,成功的光学显示方案下我们未来的生活是什么样的呢?我们认为可能会经历技术辅助现实、技术影响现实和技术成为现实(平行时空)三个阶段。

技术辅助现实阶段的特征是光学显示方案尚不成熟,但能解决部分问题。比如车载AR HUD显示速度和方向,甚至能做导航。再比如一些翻译和提词器功能的AR眼镜,可以同步翻译语言,使人们跨语种沟通的能力大大增强。这一阶段终端的形态是多样的,每款眼镜的功能相对独立,但共同特点是能够大大方便人们的生活。

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技术影响现实阶段的特征是光学显示方案逐步成熟,支持部分移动端应用被转移至AR眼镜中。比如一些传统软件如百度导航、大众点评,我们可以通过AR眼镜直接扫描路边饭店的评分和评价,可以通过AR眼镜导航去最近的健身房,甚至可以通过AR眼镜来搜索对面应聘者的工作简历和公众号文章。这一阶段AR会影响生活中的方方面面,成为人的智力外挂。

技术成为现实阶段的特征是光学显示方案已臻化境,通过AR眼镜可以看到一个全新的数字化的世界。比如观看球赛时可以看到放大的射门回放,参观帝国大厦时可以看到楼顶的金刚,吃饭时会有食材产地和历史的动画介绍。简而言之,只要戴上AR眼镜,你就会看到一个根植于现实的更加绚烂的世界。

当然,要做到这一步,不仅需要光学显示方案的成熟,也需要数字基础设施的建设。我们相信,以当前的光学显示方案迭代速度,那一天的到来不会很远。华映资本持续关注并看好AR/VR上游硬件和光学半导体的赛道潜力,欢迎相关项目方与我们联系,共建未来。

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