AR主流光学方案梳理_birdbath光学方案

AR 主流光学方案演进概况

一、早期探索：棱镜与离轴透镜（2010s 前）

• 技术特点：棱镜方案通过反射放大成像（如 Google Glass 初代），离轴透镜依赖外部光学模组，体积大、视场角小（<30°），仅满足基础虚实叠加。
• 局限性：设备厚重（类似头盔），透光率低，无法日常佩戴，主要应用于 B 端工业场景。
• 代表产品：2012 年 Google Glass（棱镜 + 单目显示），微软 HoloLens 1（离轴透镜）。

二、过渡阶段：Birdbath 与自由曲面（2015-2020）

• Birdbath 方案：利用凹面反射镜缩小模组体积，视场角提升至 40°-50°，成本较低（约 200-300 美元），成为早期消费级 AR 的主流（如雷鸟 Air、Rokid Air）。
• 自由曲面：通过非球面镜片优化成像，视场角可达 60°，但镜片厚重，多用于 B 端维修 / 导航眼镜（如 Vuzix Blade）。
• 痛点：Birdbath 镜片厚度仍超 3mm，透光率不足 80%，虚拟图像易受环境光干扰，难以实现 “透明感”。

三、主流突破：光波导技术（2020 至今）

        随着消费级市场对 “类眼镜形态” 的需求爆发，光波导成为核心突破口，分为几何光波导和衍射光波导：

1. 几何光波导（如 Lumus）：

   • 原理：通过镜片内全反射传导光线，色彩还原度高（95%+），视场角达 50°-70°。

   • 优势：工艺成熟，无彩虹效应；缺点：镜片厚度 2-3mm，重量仍超 50g。

   • 应用：早期华为 AR Glass、Vivo V3。

2. 衍射光波导（当前主流）：

   • 原理：通过微纳光栅衍射实现光场调制，镜片厚度 < 1.5mm，视场角可达 80°+，透光率超 90%。

   • 细分路径：

     • 表面浮雕光栅（如 WaveOptics）：成本较高，但适合量产（苹果 Vision Pro、Rokid Glasses 采用）。

     • 体全息光栅（如三极光电）：光效更高（30%+），但良率低，需纳米压印工艺突破。

   • 突破：2021 年 Rokid 推出首款衍射光波导眼镜 Vision 2，2024 年 Rokid Glasses（与暴龙联名）实现 2499 元定价，推动 C 端普及。

3. 混合光波导：结合几何与衍射，平衡视场角与轻薄性，尚处验证阶段（如 Meta Orion 原型机）。

四、未来方向：全息与超表面（2025+）

• 全息光波导：通过全息干涉记录光场，可实现大视场角（>120°）、低色散，三极光电已实现 85° 视场角样片，需解决材料稳定性和量产成本。
• 超表面光学：基于纳米结构调控相位，理论上可实现单层镜片全功能集成，轻薄至 1mm 以下，华为、苹果均在布局。
• 关键配套技术：
  • MicroLED 微显示（高亮度、低功耗，适配光波导），需突破巨量转移和全彩合色工艺（如雷鸟棱镜合色技术）。
  • 纳米压印设备（精度 < 5nm），决定衍射光栅良率（国内厂商如苏大维格、清越科技加速研发）。

AR 主流光学方案对比分析

一、棱镜 / 离轴透镜（早期方案）

方案

优点

缺点

典型应用

棱镜

成本低（<200 美元），体积小

视场角小（<30°），遮挡视线严重

Google Glass 初代

离轴透镜

结构简单，支持单色显示

体积笨重（头盔级），透光率 < 50%

微软 HoloLens 1

二、Birdbath（消费级过渡方案）

方案

优点

缺点

典型应用

Birdbath

对比度高（MicroOLED 特性），体积适中（25mm 厚），成本 200-300 美元

透光率仅 25%-30%（现实模糊），重量集中鼻梁（85-130g），前向漏光需偏振膜遮挡

雷鸟 Air、Nreal Light

支持 50° 视场角，适合观影 / 轻交互

无法看到佩戴者眼神（影响社交），长期佩戴舒适性差

联想 ThinkReality A3

三、自由曲面（B 端主流）

方案

优点

缺点

典型应用

自由曲面

显示效果最优（色彩 / 均匀性），工艺成熟

镜片厚重（>3mm），无法轻薄化

Vuzix Blade（工业）

视场角 60°，透光率 70%

量产成本高（B 端专属）

耐德佳工业方案

四、光波导技术（当前主流）

1. 几何光波导（阵列波导）

优点

缺点

典型应用

光效 15%+（衍射波导 10 倍），无色散 / 彩虹效应

镜片厚度 2-3mm，良率依赖工艺（初期 60%→量产 85%）

华为 AR Glass、Rokid Glass2

隐私性强（正面漏光 < 1%），视场角 50°-70°

光机体积大，需二维扩瞳技术优化

理湃光晶方案

2. 衍射光波导

细分类型

优点

缺点

典型应用

表面浮雕光栅

轻薄（<1.5mm），适合量产（苹果纳米压印技术）

光效 < 1%，彩虹色散明显，需三层镜片合色

苹果 Vision Pro、Hololens2

体全息光栅

单层全彩，光效 30%+（理论值）

材料稳定性差，良率 < 50%（依赖纳米压印）

三极光电样片

3. 全息光波导（下一代潜力）

优点

缺点

典型应用

单层镜片全彩，成本比衍射低 30%（无需纳米光刻机）

视场角受限（当前 85°），材料均匀性待突破

耐德佳二维全息样品

透光率 90%+，接近普通眼镜形态

量产工艺不成熟（2025 年预计突破）

2024 年研发中

五、超表面（未来方向）

方案

优点

缺点

进展

超表面

理论厚度 < 1mm，全功能集成（无机械结构）

纳米加工精度要求极高（<5nm），量产难度大

华为 / 苹果专利布局

支持动态聚焦、大视场角（>120°）

2025 年仍处实验室阶段

2024 年样片验证

六、核心对比维度总结

维度

棱镜

Birdbath

自由曲面

几何光波导

衍射（浮雕）

全息光波导

超表面

轻薄度

★☆☆

★★☆

★☆☆

★★★☆

★★★★

★★★★★

★★★★★

视场角

<30°

50°

60°

50°-70°

80°+

85°+

>120°

透光率

<50%

25%-30%

70%

85%+

90%+

90%+

95%+

光效

低

中

中高

高（15%）

极低（<1%）

高（30%）

极高

成本（美元）

<200

200-300

500+

500-800

800-1500

300-500

待验证

C 端适配

否

初级（短期佩戴）

否

中级（日常 4 小时）

高级（舒适）

理想（类眼镜）

未来

总结：演进驱动力：从 B 端到 C 端的场景适配

• B 端需求（2010-2020）：工业维修、物流巡检等，追求可靠性，自由曲面 / Birdbath 主导。
• C 端爆发（2020 至今）：观影（Birdbath 方案，如雷鸟 Air 2）、轻办公（光波导 + AI，如 Rokid Glasses）、导航（低延迟光波导），推动形态向 “日常眼镜” 进化。
• 未来场景：空间计算（苹果 Vision Pro 引领）、虚实融合社交，要求光学方案支持动态眼动追踪、高分辨率（>40PPD）、广色域（DCI-P3 100%）。
• 场景适用性不可忽略：针对不同场景的核心痛点，应采用不同方案以平衡性能、成本、舒适性、可靠性等诸多因素，瞄准预期市场和场景，明晰用户需求，明确产品定位。