一、Apple AR 来了

随着辛丑牛年钟声的敲响，2020年正式告一段落。在过去的一年中，AR经历了新一轮的技术和资本热潮。在鲜花着锦地蓬勃发展中，最引人注目新闻应属Jon Prosser关于苹果AR眼镜的爆料。Jon Prosser作为Youtube 知名科技评论频道Font Page Tech创始人，知名的苹果爆料专家，他的观点有较高的可信性。下图是对他爆料的总结：

对于AR硬件产业界来说，目前还尚无引起社会广泛关注的现象级产品。苹果AR眼镜如能按期落地，无论销量如何，都能起到比Magic Leap和HoloLens 更深远的AR产品普及作用。

仔细分析以上信息，不得不说Prosser的阐述中有几处自相矛盾之处。

首先，以苹果惯常的毛利计算，499美元的售价使得这款眼镜的BOM成本不可能超过250美元。这就严重限制了显示部分的成本空间。同时他提到，眼镜的材质为塑料材质（最终材质可能发生改变）。目前唯有自由曲面方案或者BB方案才能满足该材质要求。然而目前这两种方案的外观无法贴近正常的眼镜形态，很难想象以苹果的产品定义会做这样的妥协。

在知名AR博主Karl Guttag第一版分析中，他曾设想苹果会使用一种特殊的自由曲面方案来平衡产品的功耗，显示，BOM成本和外观形态。然而在他第一版分析两个月之后，他推翻了自己先前的推论，他认为苹果会采用其收购的体全息解决方案初创公司Akonia的技术路线。根据他的论述，归根结底，目前除开波导方案以外的一切其他方案，都不能满足苹果内部和消费者对苹果产品的ID要求。

据我的观察和推断，Prosser之前对AR产品的光学方案缺乏了解，他很有可能将镜片的树脂保护片误认为波导本身的材质，从而非故意地误导了大众对该款产品的判断。

从Prosser的其他阐述中，较为可信的信息可以罗列如下：

• 数据流处理由iPhone来进行
• 外观贴近日常眼镜
• 无线充电
• 双目显示
• 手势交互
• 无遮光片
• 有Lidar无Camera

另外一个他尚未明述但可以推得的信息是，显示一定是全彩显示，同时正面没有明显的漏光现象。否则如此明显的特征，是Prosser一定不会在爆料中漏掉的。从以上信息，不难窥探到国际大厂对消费级AR眼镜的理解。

• 轻量
• 隐私
• 眼镜外观
• 长期佩戴
• 中等FOV （25-30°）

二、阵列波导会是真正成熟的消费级方案

根据以上信息，我们可以做出一个相对坚实的结论。对消费级AR光学方案，能满足以上要求的只有阵列波导和正在早期发展阶段的体全息波导方案，而目前在投资圈相对火热的衍射波导方案并不能达到消费级产品的最终需求。

以下我将分析为何阵列波导技术会在消费级产品领域战胜衍射波导方案。

首先从显示原理方面：

阵列波导采用半透半反镜阵列作为出瞳扩展器，服从的是入射角等于反射角的反射定律。对构成全彩显示的三原色的入射光无色散作用。从而可以保证现实画面无明显的颜色偏差。这也是专业显示器最基本的要求。

而衍射波导使用的是衍射光栅作为耦入耦出器件，目前使用较多的衍射光栅方案有Hololens的倾斜光栅、Magic Leap所使用的二元光栅以及WaveOptics使用的圆柱光栅。整体的技术图景见下图。

无论具体技术形式如何，难以避免的就是色散效应，也就是说不同波长的光衍射角不同。同时在针对不同衍射角度，不同波长光的衍射效率有较大的差别。这就造成无论HoloLens还是Magic Leap都无法做到较好的色彩表现。

下图可以看到微软投资数亿美元的HL2的色彩表现。

衍射波导为了解决这一问题，必须使用多片单色波导叠合工艺来提供“不那么差的”色彩表现。毫无疑问的是这会增加产品的成本和复杂度，降低良率并使波导镜片厚度很难做到3mm以下。同时如下图所示，最外侧的单色波导所耦出光线会受到其他波导层的影响，从而降低颜色均匀性，以下为上述现象的示意图。

第二，从光学效果来讲，较高的外界光线透过率和较低的外侧漏光率是全天佩戴所必须的。没有人可以在无论阳光、阴雨、室内、室外环境下始终佩戴墨镜。更不必提在某些文化和社会场景下，佩戴墨镜是不合时宜的。另一方面，衍射波导所根深蒂固的外侧漏光会导致个人隐私内容的泄露，这种现象被称作“光眼”（glow eye）。

从光学原理上来说，漏光是由衍射光栅的多级衍射所造成的，而多级衍射只可以减弱而无法从根本上消除。通常闪耀光栅的使用可以减弱其他级次衍射并将能量耦合到需要的衍射级次。然而这通常需要再光栅表面镀制金属层，在增加了工艺难度的同时，降低了光学透过率。

第三，从产品形态上来讲，目前AR圈中对衍射波导推崇的一个原因在于其可以实现二维出瞳扩展。所谓二维出瞳扩展可以认为是在牺牲光效的代价之下，将光学系统的光阑（可以理解为相机的光圈）在水平和垂直方向上复制多次来扩大系统所能容纳的视场角，并扩大眼动范围。如果将系统的总光学扩展量想象成一股水流，进行一维和二维出瞳扩展就类似于在花洒的不同档位间切换，并无物理本质上的提升。

同时必须要认识到的一点是，双目显示的需求希望水平方向上有较大的出瞳来满足不同人种，年龄，性别所带来的的瞳距差别。而垂直方向上并无此硬性需求。保留一维出瞳扩展可以提升亮度，从而使得目前低功耗，高对比度，全彩但亮度偏低的Micro-OLED成为阵列波导很好的微显示像源。

另外需要纠正的一个概念是，阵列波导在物理上完全支持二维出瞳扩展，来支持工业场景上对较大出瞳距离和眼动范围的需求。灵犀在2021年Q1即将发布使用阵列波导二维出瞳扩展30°视场角的极小型化光机。

第四，从工艺上来讲，光学玻璃使用的是成熟光学工艺，如镀膜，胶合，切片，抛光等。操作精度在微米量级。工艺容差性好，产品一致性可在KK级别上保持稳定。前期投资可以控制在数千万人民币左右。目前衍射波导所使用的纳米压印工艺，需要聚焦离子束刻蚀（Focused Ion Beam，简称FIB）硬质模板，再由模板转印到聚合物软模，再用软模进行光栅转印。所需要的设备投入在数亿人民币左右，其中部分设备无法国产化，受到国际供应链变动的可能性较大。

同时两步转印法容易积累误差，造成所制备光栅表面的随机性偏差。而这种随机性偏差会影响到衍射光栅的波长响应，并且会造成能量散射。最后影响到同批次产品光学性能的均一性。这也是困扰HoloLens和WaveOptics已久的产能问题缘由所在。

另外必须阐明的一点是，在光学领域不存在硅基半导体产业中的摩尔定律，规模化不能帮助衍射波导的进一步Cost-down。目前FIB刻蚀生产硬质模板大单片成本在50-100万人民币，每片硬质模板可转印大约1000片衍射波导片。FIB刻蚀的高成本使得单片衍射波导的成本很难低于100美金。而阵列波导最终单片价格可以控制在10美金以下。

三、AR最终方案的展望

在本文最后，我们想说明的一个问题是，阵列，衍射，体全息三条波导路径本身并无技术优劣之分，都是利用反射或者衍射等光学现象达到扩展出瞳的效果，为AR眼镜提供虚实融合器（combiner）。目前，除体全息技术之外，阵列和衍射都具有一定的技术成熟度，并进行了到了小批量量产阶段。从使用上来看，衍射波导更加适合专业性场景，如安防，维修等对隐私性和体验性要求较低，同时佩戴时长较短的应用领域。而消费级产品由于其要求足够轻便，全天佩戴；视觉体验好，隐私性好；同时具有很高的产品一致性和较低的成本，阵列波导可以说是完美的候选者。同时展望未来，随着苹果和Akonia合作的进一步展开，我们也拭目以待体全息波导未来的进展。不过必须保持清醒的一点，衍射波导存在的色散问题，以及正面漏光问题，也会在体全息波导上有一定程度的体现。我们也期待以Digilens，Sony，Akonia为代表的的厂商取得进工艺或设计上的突破已解决这一问题。

灵犀微光

Eric

References

1. https://www.youtube.com/user/FrontPageTech

2. http://www.lx-ar.com/

3. Zhang, Y., & Fang, F. (2019). Development of planar diffractive waveguides in optical see-through head-mounted displays. Precision Engineering.

4. https://kguttag.com/

5. “How Microsoft built the Hololens 2“ Financial Times

6. https://techcrunch.com/2018/08/23/teardown-of-magic-leap-one-reveals-highly-advanced-placeholder-tech/