在華為發布的《5G時代十大應用場景白皮書》中，預計2025年AR的市場空間將超過VR，達到1510億美元。據IDC預測，2019至2023年期間，AR眼鏡的復合年增長率高達140.9%。谷歌、微軟、蘋果、索尼、Facebook等巨頭以及一些國內廠商，紛紛將重金投入到被譽為AR產業金鑰匙的關鍵技術——衍射光波導。
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AR是什么？與VR有什么區別？為什么說AR的市場空間增長速度將遠高于VR？AR眼鏡有哪些核心部件？是什么制約了AR眼鏡的規模商用？衍射光波導是什么黑科技？如何設計制造衍射光波導？衍射光波導領域的玩家有哪些？如何看待光波導玩家的現狀與未來？今天，我們就來和大家用“白話”聊一聊這些話題。
01
AR是什么？與VR有什么區別？
對于VR，生澀的定義咱們就不說了，直接上動圖。
▲AR眼鏡，來自Youtube▲
VR的名字（Virtual Reality，虛擬現實）很貼切，帶上VR眼鏡之后，我們看到是一個完全的“假的”世界，是一個虛擬出來的世界。與此同時，也意味著，我們看不到現實世界了， “瞎了”。動圖中的那個妹子被套在一個“圍欄”里，就是為了避免這個“瞎子”摔個狗啃泥。
那么問題來了，帶上了VR眼鏡，我就“與世隔絕”了。能不能有種眼鏡，在看到現實世界的同時，又能看到虛擬世界？嗯，這實際上就是AR眼鏡被發明的緣由。來，看看下面的動圖，了解一下AR眼鏡。
透過這個眼鏡我們不僅能看到真實世界，也能看到虛擬圖像，而且這個虛擬圖像是和真實世界相關聯的。比如說，一個外賣小哥，他接到訂單之后，在他的眼鏡上就能看到訂單信息和取外賣的地圖導航，取完外賣后，眼鏡上再顯示出送外賣的地圖導航。透過AR眼鏡的圖像，是對真實世界的一個“增強”，所以眼鏡的名字自然也就是“增強現實”眼鏡了。
02
相比VR，AR的發展速度更快
由前面我們對AR和VR的對比可以看出，相比VR，AR實現了人類更多的愿望：既能看到真實世界，又能看到虛擬世界。如果把VR比作“熊掌”的話，AR就是人們心目中的“魚和熊掌”。
作為“魚和熊掌”的AR眼鏡，其技術復雜度自然遠高于VR，另外由于生產規模小、良品率低等原因，導致當前AR眼鏡的價格遠高于VR眼鏡（比如微軟的HoloLens 2的價格高達3500美金，而市場上的主流VR眼鏡價格僅300~400美金）。目前，AR眼鏡的價格雖然可以由安防、工業和金融等組織機構所承擔，但對大部分個人消費者來說還是難以承受的。
雖然AR眼鏡當前價格高，但AR眼鏡相關技術已經進入了快速成熟期，制約其成本的一系列難題將得以解決，AR眼鏡價格有望在2020年快速下降到500~600美金，并在隨后幾年中進一步降低。根據IDC的VR/AR分析報告預測，2019~2023年，VR眼鏡的復合年增長率是46.7％，而同期AR眼鏡的復合年增長率則高達140.9%。
▲AR/VR產業發展預測圖，來自IDC▲
03
AR眼鏡的結構與關鍵技術
如下圖所示，從基礎結構上說，無論是VR眼鏡還是AR眼鏡，都與手機的架構并無差異。主要由輸入傳感器、輸出系統、電源、計算、存儲和通信模塊所構成。AR/VR與手機之間關鍵區別，在于光學輸出系統（顯示系統）。
▲AR/VR眼鏡基礎架構圖，黑貓警長008整理▲
除了光學輸出系統外，VR/AR所需要的其他硬件基本與手機類似，大部分均已較為成熟。當前制約VR/AR發展的硬件技術瓶頸，在于光學顯示系統。
相比手機的顯示系統，VR眼鏡的顯示系統需要實現高清晰度、高刷新率、高可視角度（FOV）、低功耗、低散熱、低重量和小型化等一系列要求。
而AR眼鏡則更進一步，不僅要達到VR眼鏡的一系列要求，還需要能夠將光學輸出顯示在透明鏡片上。這一看似簡單的“小目標”，卻令AR眼鏡的光學系統結構完全不同于VR眼鏡，復雜度和成本大幅上升。雖然顯示技術在最近幾十年來快速發展，但是業界卻一直難以拿出一個性能相對可靠，并有可能以低成本大規模量產的AR光學顯示方案。直到2010年，諾基亞公司的Tapani Levola博士發明了用于近眼顯示的衍射光波導技術，才讓AR行業看到了曙光。隨著AR產業的不斷發展，衍射光波導已被業界譽為 “AR產業的金鑰匙”。
04
衍射光波導和他的“先輩”們
雖然是“金鑰匙”，但是在衍射光波導出現之前，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“近親”幾何光波導。不同的廠商，由于自身的“屁股”原因，對于哪個技術能“繼承大統”自然有不同的“認知”。如果我們要從技術上去識別這些光學系統孰優孰劣，怕是100篇論文也說不清。那怎么就能知道這些技術誰能最終拔得頭籌呢？咱們的“捷徑”是看看業界大咖的實際選擇，畢竟，不管嘴上怎么說，身體都是很誠實的。
大咖們各顯神通，有的收購（谷歌、Intel、蘋果、索尼、三星），有的自研（Facebook、Waveoptics），而微軟，“動手”最早也最直接，直接聘用了發明人。但不管用什么方式，大咖們無一例外的都選擇了衍射光波導技術。
▲衍射光波導相關廠商列表，黑貓警長008整理▲
至于說衍射光波導技術的各位“先輩”呢，其實大部分都還“健在”，但是隨著“后浪”衍射光波導的快速發展，這些“前浪”怕是會陸續在“沙灘”上相會了。
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05
衍射光波導的技術原理和分類
所謂光波導，簡單說就是讓光在設計好的路徑中傳播。而衍射光波導，則是利用了光的衍射特性，來設計并實現“光路”。還記得曾經學過的物理學知識嗎？衍射，需要小孔或者“柵欄”來實現。衍射光波導實現的技術方法之一，就是在光學平面上“刻”出一道道“柵欄”（術語為光柵），讓光線按照設計好的路徑傳播。
在下圖的左下角的方框處，俗稱 “光機”。光機負責把電信號轉為光學影像，可以把光機簡單的理解為一個投影儀。而光波導呢，則負責將來自“投影儀”影像最終傳遞到眼睛里。光波導，由光學鏡片及鏡片上的光柵構成。圖中的光波導是一個比較經典的光波導結構，由三片光柵區域構成。左下角的第一片光柵是輸入光柵，負責接收光信號，并將光傳遞到右下側的“轉折”光柵區。轉折光柵區一方面對光線進行水平擴瞳（下文詳述），另外再將光線傳遞到右上角的輸出光柵。輸出光柵對光線進行垂直擴瞳（下文詳述），并最終將光線輸出，投射到人眼中。
▲傳統衍射光波導原理，圖片來自Digilens▲
那么上面說的擴瞳是什么意思呢？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，后來隨著顯示器技術的發展，FOV逐步被擴大了，新的顯示器也就不再存在從側面看不清的問題了。
▲FOV示意圖，來自giganti.co▲
而光波導技術中的“擴瞳”，就是將低FOV的輸入變為高FOV的輸出。由于擴瞳同時存在水平和垂直兩個方向，因此傳統的衍射光波導都需要兩個光柵進行二維“擴瞳”，再加上輸入光柵，那就需要3片光柵區了。
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大家自然會想到一個問題，一個鏡片上，需要3片光柵，但真正人眼能看到的只有輸出光柵一區域，豈不是浪費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？實際上，Waveoptics已經獲得突破并有成品光波導，而Facebook和微軟也隨后申報了類似的專利技術。
▲傳統衍射光波導原理，圖片來自Waveoptics▲
上面的動圖是傳統的衍射光波導，而下圖的動圖則是Waveoptics發明的新型光柵，將傳統的3個光柵區變為2個，輸出光柵區面積比傳統方式大了很多。
▲新型衍射光波導原理，圖片來自Waveoptics▲
在Facebook于2018年提交的專利中，將輸出光柵區大大“擴容”。
▲Facebook 衍射光波導專利圖，來自Google Patent網站▲
在微軟于今年提交的專利中，同樣將輸出光柵區大大“擴容”。
▲微軟衍射光波導專利圖，來自uspto.gov網站▲
說完衍射光波導的原理，我們再來看看光柵的兩個子類：表面浮雕光柵和體全息光柵。
▲顯微鏡下的表面浮雕光柵（間隔為400納米），來自toppan.co.jp▲
表面浮雕光柵（Surface Relief Grating），顧名思義，是“浮雕”出來的光柵結構，其制造工藝與制造芯片的工藝類似，叫做納米壓印（Namo-imprint），后面我們再詳細講。
▲體全息光柵，來自andor.com▲
而體全息光柵（Volume Holographic Grating）則是一種通過全息曝光技術生成的光柵。需要強調的是，體全息光柵只是其生產工藝使用了全息曝光技術，光柵本身并不會產生全息圖像。怎么理解體全息呢？可以把它理解為一個可以被曝光“顯影”的涂層，這個涂層被激光曝光后可以形成折射率不同的條紋，也就是另外一種形態的光柵。而所謂體全息，是在一個涂層中進行多次全息曝光，從而在同一個“體積”中，保存有多重條紋。
業界的微軟、MagicLeap、Vuzix和Waveoptics等大部分廠商，使用的均為表面浮雕光柵技術，并且已經有了規模量產的產品。而體全息光柵技術，僅有蘋果、索尼和三星使用，而且市面上尚未有量產成品。
06
表面浮雕光柵衍射光波導的產業鏈
由于體全息光柵目前尚未形成完整的產業鏈，產業鏈部分本文僅討論表面浮雕光柵。在說產業鏈之前，我們有必要先了解一下表面浮雕光柵的設計與生產流程。
▲表面浮雕光柵設計及制造流程，黑貓警長008整理▲
工藝流程分為三個階段，分別是母版、步進母版和成品階段。這個過程類似餅干工廠壓制餅干的流程。
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第一步是要設計并制造單個餅干模子（母板），第二步是用母板在一塊大板上壓出多個圖樣，形成一個大模子，第三步就是用大模子批量的壓制成品。
▲表面浮雕光柵設計制造流程及相關廠商，黑貓警長008整理▲
雖然表面浮雕光柵的設計和制造產業鏈涉及到眾多廠商，但是在母版和步進母版部分，并沒有太多瓶頸，原因是這部分的原材料和制造設備與半導體產業同源，已經相當成熟。表面浮雕光柵的關鍵技術集中在光柵設計和高折射率原材料領域。
在光柵設計領域，前文提到的微軟、MagicLeap、Facebook、Waveoptics和蘋果都在力爭設計出高FOV、低色散的光柵。在這些公司中，與微軟、Facebook等大公司相比，Waveoptics似乎顯得名不見經傳，但這家公司實際上在光柵設計領域擁有重要的話語權。Waveoptics是一家英國公司，由兩位光學專家創建。在創建Waveoptics之前，這兩位創始人曾經是BAE公司的光學部負責人。BAE公司全名英國航空航天公司，是全球第三大軍品公司，著名的臺風戰斗機就來自BAE。而臺風戰斗機所使用的衍射光波導頭盔，就來自于BAE的光學部（即Waveoptics創始人所掌管的部門，呵呵）。
▲臺風戰斗機，圖片來自BAE▲
▲BAE戰斗機頭盔使用了衍射光波導技術，圖片來自BAE▲
而在玻璃原材料領域，主要有2個玩家，一家是美國的康寧，一家是德國肖特。康寧大家耳熟能詳，iPhone屏幕上用的著名的大猩猩玻璃，就來自康寧。康寧公司已經有超過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單，這家公司曾經在蔡司旗下，有超過135年的歷史。
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前面提到我們希望光波導的FOV盡量的大。要增加FOV，一方面要有好的光柵設計，另外一方面則需要高折射率的玻璃。折射率越高，光波導的FOV越大。當前康寧和肖特都推出了折射率超過1.7的產品，而且這兩家公司都表示折射率可以進一步提高。
而在納米壓印設備領域，基本上都被一家德國公司所壟斷，那就是EV集團（EVG）。
07
衍射光波導領域的國內廠商
從上面的產業鏈圖表我們發現，產業鏈中的公司僅來自美、英、德、日這四個國家。中國公司難道集體缺席？
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在衍射光波導核心技術和材料領域，我們不得不接受的現實是，中國距離歐美日還有距離。但衍射光波導既然是“金鑰匙”，中國的廠商自然不會熟視無睹。當前已有歌爾股份和水晶光電兩家中國公司成功打入到了核心產業鏈中。
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歌爾股份，在2018年和2019年先后兩次投資光波導設計公司Waveoptics。這兩次C輪投資一共3千萬英鎊（約3億人民幣），獲得了Waveoptics公司33%的股權。另外歌爾即將發行的可轉債中，將有10億人民幣投入到衍射光器件的研發和制造，預計2021年可形成500萬件年產能。
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水晶光電，在2018年與肖特共同投資設立浙江晶特光學科技有限公司(簡稱“晶特光學”)。晶特光學注冊資本1.35億元人民幣，其中水晶實際持有晶特光學的54%股份。預計晶特2021年可形成440萬件AR晶圓的年產能。
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前面我們提到，衍射光波導發展的關鍵，一在于光柵設計，二在于高折射率玻璃。歌爾與水晶光電這兩家中國公司，分別在這兩個關鍵領域投入重金，成功打入了核心產業鏈。
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08
總結
AR產業的巨大市場空間吸引了眾多玩家相繼投入其中，而衍射光波導這一新興技術，被譽為打開“AR產業”的金鑰匙，更成為國外巨頭爭相重金投入的關鍵領域。美、英、德、日四個國家在核心產業鏈早做布局，甚至在部分環節上形成了壟斷的局面，而中國廠商卻一度缺席衍射光波導朋友圈。
可喜的是，中國廠商歌爾股份和水晶光電不甘人后，運用自己的智慧，成功打入了衍射光波導的核心產業鏈。
相信在歌爾和水晶的引領下，中國將會涌現出更多的企業，不僅在AR應用領域，更能在衍射光波導這一核心技術領域，為中國贏得一席之地。
原文始發于微信公眾號（AR圈）：一文看懂：AR產業金鑰匙——衍射光波導
