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增强现实(AR)之“光” ── 中恒星光产业洞见系列(8)
 Kay & Hank          2016-12-02


2016年7月,任天堂《Pokémon GO》AR手游在澳洲、新西兰和美国等地上线,一天之内登顶三个地区应用商店榜首,随后风靡全球。在游戏一夜爆红的背后,游戏所采用的AR技术开始受到广泛关注,成为继VR后虚拟图像领域的又一热点话题。

微软HoloLens游戏《Fragments》


什么是AR?
AR是增强现实(augmented reality)的简称,是一种将虚拟化图像叠加到现实场景中,将物理世界信息和虚拟世界信息无缝集成的计算机视觉技术。首先,AR利用摄像头、传感器等设备,对现实影像的位置进行实时感知、采集,再通过计算机进行图像渲染等运算,将虚拟影像叠加到现实影像上,从而在AR输出设备上呈现。此外,虚拟影像的位置和角度还能根据使用者身体和视线的移动而变化,用户也可以通过手势、语音等操作方式与图像进行交互,从而带来沉浸式的视觉体验。

资料来源:易观智库


AR能做什么?
同为虚拟图像技术的VR(虚拟现实)可能比AR更被大众所知,两者也常常被混为一谈。虽然VR和AR都涉及虚拟成像,但在技术实现方面还是存在着本质上的区别,在应用方向上也有很大的不同。VR利用显示设备为用户提供360°沉浸式的全虚拟体验,将用户与现实完全隔绝开来。而AR则是在现实的基础上叠加全息虚拟影像,加强其视觉呈现的方式。简而言之,两者最直观的区别即:AR=现实+虚拟,VR=100%虚拟。

资料来源:艾瑞咨询


两者本质上的区别也导致其应用方向的不同。VR由于用户完全沉浸在虚拟世界中,因此更多的是用于游戏、电影等娱乐领域。而AR由于在使用中用户仍可看到真实世界,除了娱乐外,有更广泛的应用场景,包括军事、工业、医疗、教育等行业,潜在市场空间远超VR。

资料来源:易观智库


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AR+军事
AR技术可以有效的增强士兵的作战能力,并且可以降低军事活动的危险性,在日常训练、实际作战中能发挥极大的作用。例如,由英国军工企业BAE开发的Q-Warrior头盔可以为地面部队提供态势感知信息,具备敌我识别、夜视影像、共享地理位置等增强现实功能。此外,AR眼镜在指挥、侦查、通讯、维护上均有极大的帮助。

资料来源: Q-Warrior


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AR+工业
AR能够以数字化信息协助工人,实现操作可视化,有助于生产效率、生产质量的进一步提升。在生产第一线的工人可以利用AR眼镜的增强信息辅助生产,例如利用眼镜对需要生产的设备进行识别,进行操作引导、安全审查等,降低人为错误。此外,结合无线通信及云计算技术,AR设备可以实现跨地域的远程协作及工作指导,让后台专家实时观看前线工人第一视角。

资料来源:搜狐


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AR+医疗
远程医疗并非一个新概念,但多年来受限于技术的发展,远程医疗主要以语音、视频通讯为主,尽管具有较强的实时性,但互动体验差,交流不够直观,因此效果并不理想。在引入AR后,情况将有所改观。AR能将病患信息以虚拟景象的形式进行传送,实现身临其境般的诊断体验。例如,现场进行操作的医生可以将手术画面、患者器官的三维模型通过佩戴的AR眼镜实时传送至场外专家,专家能够了解手术进度与操作详情,并与主刀医生进行实时沟通,相关操作指导甚至能够通过AR设备标记在虚拟图像上,供主刀医生直接参考。

资料来源:Web3DWorks


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AR+教育
AR技术能够实时具现化学习内容,使得学生能够更容易理解学习内容,同时生动的影像展示也能够大大提高学习者的学习意愿,有望改变传统的教学模式。AR眼镜呈现的虚拟影像可以完美替代教具,学生可以自主对影像进行操作、观察,从而更快的理解教学内容。

资料来源:HoloLens


AR行业前景如何?
目前,AR市场刚刚起步,虽然参与者不少,但市面上还未出现成熟的AR设备,仅有HoloLens、Meta、Lumus等寥寥数款产品,其他产品多处于开发状态,包括知名的Magic Leap都迟迟未能放出产品。由于硬件产品的匮乏,加上行业技术走向的不确定性,造成AR内容开发进度受限。目前较为知名的AR应用多锁定在硬件、技术较为明确的移动端,基于手机的Pokémon GO就是最好的例子,然而缺乏专用的AR设备就无法发挥出AR真正的潜力。与VR硬件、应用近年大量问世相比,AR市场发展显得较为缓慢。最根本原因是VR的技术难度显著低于AR,行业门槛低,不论是硬件或是应用,开发难度相比之下都低得多。
然而,AR的行业前景更为乐观。由于AR应用空间更大,盈利来源更丰富,将比VR拥有更大的市场空间,有望后来居上。根据Digi Capital的预测,现在正处于AR爆发前夜,2016年-2018年间将有大量AR硬件被推向市场,从而带动应用软件的开发,市场规模快速增长。至2020年,AR/VR行业总盈利规模将达到1200亿美元,其中AR占比75%,达到900亿美元规模。从细分应用结构上看,硬件设备将是AR/VR行业的主要盈利来源。从地域结构上看,亚洲国家占比高达50%,中国、日本、韩国等国有望成为AR/VR的主要市场。

数据来源:DigiCapital


国内外IT巨头AR布局
从投融资情况上看,AR市场目前十分火热。根据猎云网统计,2010年以来,全球新成立AR企业超过330家,将近一半获得融资。2015年后AR领域投资金额高达14亿美元,并出现了诸如Magic Leap(总融资额7.94亿美元)、MindMaze(总融资额1亿美元)、Blippar(总融资额5400万美元)等AR届的独角兽。根据ABIResearch预测,今年AR领域投资额将近7亿美元,未来五年内,总融资额将达到25亿美元。

数据来源:CB Insights


国内外IT巨头也在相关领域进行布局,投资、收购事件频发,并在2015年达到一个高峰。在Magic Leap、Meta、Blippar等知名AR企业的背后频频出现谷歌、高通、英特尔、阿里等巨头的身影。此外,微软、谷歌、腾讯等公司也在发展自有的AR硬件、软件。随着资本的进一步流入,AR行业的发展、整合将持续进行,龙头企业的大手笔布局也预示着行业的爆发期即将到来。

数据来源:CapitalIQ、Crunchbase、易观智库


AR中的核心技术
AR极有可能成为PC之后下一代运算平台,尤其在商用领域具有独特的优势。我们在日常工作中使用电脑、平板电脑等设备遇到越来越多局限,AR可以帮助我们把计算生成的结果可视化,并和实际应用场景结合。比如在下图中,基于微软的HoloLens眼镜开发的这款软件叫Sketch Up,可以将3D模型在实景中“投射”出来,且支持多人协同工作,对于建筑师来说是非常方便的应用,对于设计的想法、修改意见可以实时呈现,完全颠覆了现有低效的沟通方式。这只是众多商业应用中的一个小例子,教育、医疗、工业、娱乐等等众多领域有很多细分的应用将基于AR平台逐个被开发出来,因此我们说AR是下一代运算平台。


以HoloLens为例,其核心硬件包括三部分:光学显示设备、传感器设备以及处理器等。光学显示设备是HoloLens的核心部件,其能根据用户瞳距实时调整虚拟图像位置、角度,通过高分辨率的可投全息透镜将虚拟场景真实地展现给使用者。传感器主要包括惯性传感器和深度摄像头,主要用于感知使用者的位置移动并对周边场景进行识别与建模,从而使虚拟图像更贴合现实环境场景。在信息处理方面,HoloLens装配一颗Intel通用处理器来运行Windows 10系统,此外还搭载微软专门研发的24核28nm全息处理单元(HPU),该芯片能够实时处理传感器收集的环境信息和穿戴者的手势信息,并及时输出反馈。

资料来源:微软


|作为一个“好用”的平台,AR需要达到几方面的标准,包括人机交互的自然性,智能性,实时快速等特点。这里面人机交互可以理解为人如何向机器下达指令,而机器如何反馈给人。过去的人机交互是用鼠标在操作系统里点击向电脑下达指令,后来有了触摸屏可以通过手势在屏幕上点击、滑动等发出指令,而这些都不是最自然的人类传递信息的方式。当下探索的热点在如何以人们更熟悉和自然的方式,比如声音和肢体语言与机器交互,这就要求AR设备能够听懂人类的语言和看懂人类的手势等肢体语言。众多科技巨头在语音识别、手势识别、图像识别已经做了很多研究以及进行了大量投资,比如苹果iPhone的Siri就是做自然语音识别比较成熟的应用,中国的科大讯飞、百度等也有识别能力排名世界前列的语音语义引擎,目前已经可以在一定语境范围内比较准确地让机器理解人类的意图。但是人类的语言博大精深,要让机器完全理解其中的包括情绪、暗示、比喻等还需要时间打磨,这也是人工智能领域致力于攻克的难题之一。


图像识别相对更复杂,人类可以很轻易的在复杂环境中分辨出各个物体,而对于机器来说识别单个物体的各个角度有很大难度,更何况是在复杂的环境中准确识别出不同的物体。这需要有大量的图片(数据)让机器“学习”,就像小孩子认识世界一样,像谷歌这样拥有大量数据源的公司便利用先进的机器学习算法加之大量图片让机器可以拥有人一样的对物体的辨别能力。当AR设备拥有了图像识别能力之后,我们可以用手势给其发布指令而不用局限于鼠标。另外,要将真实和虚拟的物体结合在一个环境中也需要图像识别,比如建筑师要将3D虚拟的楼房模型放在桌子上,那么AR设备就需要识别桌子,在机器眼中要将二维的画面变成三维的,就要对环境和其中的物体进行3D建模。在辨识桌子之后还有一系列难题涉及到三维空间定位,比如AR设备需要知道桌子的具体位置在哪里,虚拟楼房模型要放在什么地方看上去最自然,当我们围绕桌子走,从不同角度观察时虚拟模型要定在原位等等。定位主要通过陀螺仪等传感器追踪AR设备的位置,以及镜头录入周边环境的图像,更重要的是用软件算法对周边环境建模,同时对自身及物体进行定位,常用的是SLAM (Simultaneous Location and Mapping)算法,这个技术已应用于无人驾驶汽车,包括VR对设备的定位也使用类似的方法。


以上提到的人机交互、图像识别、空间定位等AR设备摄取信息的部分,当机器“理解”了指令和自己所处的环境之后,需要即时计算生成虚拟图像并呈现给人眼。这些环节都需要进行大量的数据处理,对硬件元器件的运算速度、功耗、数据传输速度都是极大的考验,其中的困难比虚拟现实(VR)有过之而无不及。除此之外,光学部分可能是更大的难题,因为要让实景物体和虚拟物体结合就需要镜片是透明的才可以看到实景,同时又需要呈现图像到人眼中,这就要求镜片即能透光又能呈像,这样的技术和生产工艺目前只有很少数的几家公司掌握,导致AR硬件成本高昂。目前微软的HoloLens眼镜售价在3000美元以上,而且由于工艺不成熟导致产量极低。一家以光学著称的以色列公司Lumus之前一直做军用AR头盔,现在推出民用产品,售价也在3000美元以上。因为上述的原因,AR的发展滞后于VR,相应的生态圈也没有那么活跃。得益于日本任天堂公司的爆款游戏Pokemon Go点燃了大家对AR的关注,但Pokemon Go只是AR很初级的应用,在手机上呈现虚拟信息的方式其实已存在多年,能将所有的技术整合成轻便的眼镜,适用于不同的场景和应用才是AR未来的方向。为实现这个目标,除了底层元器件的发展外,更重要的是突破光学技术上的限制,目前光学呈像部分的成本占HoloLens等眼镜超过1/3,而且生产过程的良率过低极大限制了出货量。对比几个现有比较知名的AR设备,除了呈像方案外其他的技术有很多共通之处,包括上文介绍的人机交互、定位等。鉴于光学呈像对于AR的重要性,这里对Meta、MagicLeap、HoloLens、Lumus四个设备的呈像方案重点做介绍。


AR光学呈像方式
首先人眼为什么能看到“像”呢?人的眼球其实就是一个凸透镜,一般物体发出的光或者反射的光,经过人类眼球折射,会在视网膜上成像,形成实像。但是当你照镜子时,眼睛也能看到镜子里的“像”,事实上这个像是原本不存在的,这个就是虚像了。这是因为大脑总是认为“光是直线传播”的,会感觉好像在镜子里看到了像,实际上是光线在射入人眼前经过了镜面或者透镜的反 / 折射,大脑脑补了这个虚像,AR以及VR设备就是利用了这个脑补功能。
AR的成像需要满足几个要求,镜片必须透光性好这样才能看清背景的实物,其次虚拟物体需要色彩饱和度、亮度够高以及有足够高的清晰度才能看起来够逼真,同时可视窗口角度(FOV)要足够大,整体重量还要轻,电池续航时间也要足够长,只有达到这些标准才能得到好的体验,让AR真正被商用化。现有的几种AR设备采用不同的方案,但也有一些共通点,比如所有设备都要有一个光源先将画面放映出来,然后通过不同的方式传递到人眼。光源一般用微型投影仪,如硅基液晶(LCoS)、DLP等,也有用更前沿的光场技术,而将画面传导到人眼的方式有用光波导和镜面反射等方案,下面对几种方案的代表产品进行更详细的比较。

▶ Meta
Meta公司是成立于2012年的创业公司,第一代产品Meta1在美国众筹平台Kickstarter上获得启动资金,2015年公司获得2300万美元A轮融资,参与投资的不乏YC合伙人、Tim Draper等知名投资人,一直以来备受关注。即将上市的Meta2参数如下:


Meta采用的呈像方案是用LED光源播放原始图像,再由半透半反镜将图像反射至一个分光镜上,最终被反射至人眼,如下图所示。为了达到立体视觉,人的左右眼所视图像必须有一定位差,因此Meta配备了两个光源分别投射给两只眼镜,人的大脑会自动将两个图像叠加形成立体画面。


采用这种方案最大的优势是视场角比较大,Meta已经做到了水平方向 90度视场角,而其他方案只有40度。所谓视场角(FOV)可以理解为可视范围,人的有效FOV为60度,在这个范围内我们看到的画面是相对清晰的,剩余的部分则属于余光,虽然存在但没有特别大的实际用处。为什么FOV那么重要呢?我们希望AR达到的效果是在可视范围内将虚拟内容和真实场景无缝拼接,而40度FOV相当于我们在几米外看电视的效果,也就是AR呈现的信息被局限在一个很小的框里,这样的体验显然并不理想。然而Meta方案的缺点在于LED光源和反射镜庞大的体积导致整个设备过于臃肿,这对于用户来说体验是很不好的,会阻碍设备被广泛应用。


▶ 
Magic Leap
这家成立于2011年位于美国佛罗里达州的公司只能用神秘来形容。2016年在网上流传出一段Magic Leap的demo视频让世人震惊,视频中虚拟的鲸鱼横空出现在篮球场中,真是把magic带到现实中。实际上视频是通过Magic Leap眼镜呈现出的画面,并非以肉眼凭空看到。这段视频让Magic Leap声名大噪,实际上公司早在2014年便已获得谷歌领投的B轮融资,谷歌CEO Sundar Pichai也成为公司的董事之一。2016年2月获得包括谷歌、KKR、摩根士丹利、高通、KPCB、阿里巴巴等机构近8亿美元的C轮投资,据称估值已超45亿美元。然而至今真正见过Magic Leap眼镜的人寥寥无几,公司从未公布产品的照片或者参数,无论投资人还是媒体参观时都不可以拍照,如此高度的保密措施使得众人只能靠其申请的专利内容推断技术方案。是什么让投资机构纷纷趋之若鹜,给出如此高的估值呢?答案是数字光场显示。


根据JonoMacDougall深挖Magic Leap的专利推断,MagicLeap采用的方案是光纤扫描技术。这套方案也同样需要光源以及呈像媒介,但这两样都与Meta有非常本质的不同。Magic Leap的光源并非一般的显示屏,而是用微镜头阵列组成,尺寸比Meta小很多。光源射出的光由光纤非常快速的旋转而扫描出画面,然后利用光子光场芯片(Photonic Lightfield Chip) 呈像在光波导上。下图中左边是光源连接光纤和光场芯片的构造,右图是光子光场芯片以及光纤的阵列组。由于人眼无法分辨出每秒100次以上的画面切换,因此光纤扫描全屏只要超过这个帧速就可以。


光波导又是什么东西呢?其实光波导和光纤是属于同一性质,都是用来传播光的透明介质,区别在于这里的光波导是平面状,而且里面刻有微小的光栅结构可以衍射光,HoloLens、Lumus也都使用了不同种类的衍射光波导。那么为什么要用光波导呢?因为AR设备不可能把显示器直接对着瞳孔照射,这样阻碍了眼睛看实景而无法完成虚实交叠,所以要用光波导这种可以呈像的透明介质,在一端将画面传入,传到瞳孔前将画面射入,如下图所示。光波导中的微结构可以达到纳米级别,制作工艺要求非常高,而且不同颜色的光衍射性质不同,因此需要很细致的内部结构设计。目前没有针对AR波导光栅的标准化量产方法,因此这部分的成本很高,占到整机的1/3以上,也是AR眼镜价格高企的重要原因之一。


这个方案听起来就很复杂,为什么要这么做呢?首先还是FOV的问题,HoloLens等目前只能做到水平40度,Meta为了做到大FOV用了体积庞大的显示器和透镜,而Magic Leap用光纤扫描理论上可以做到120度。另外,如上图所示,光源和镜片是分开的,而其他AR设备都是将光源整合在眼镜上造成体积庞大,因此Magic Leap眼镜可以做的非常轻便。更高的分辨率是另一个优势,由于光纤的震动幅度可以控制在1微米内,因此理论上这种方案可以做到极高的分辨率,Magic Leap的专利中称可以做到4K,理论上应该可以超过这个分辨率。
除此之外,MagicLeap还可以解决图像对焦的问题。像Meta一样通过简单投影生成3D图像的方式是无法体现图像的深度,简单讲就是人眼看事物时聚焦的地方是清晰的,背景和周边的事物是模糊的。我们平时看的无论是电视或者IMAX 3D电影都是用传统摄像和显示方式,摄影机聚焦的地方才是清晰,和人眼聚焦位置无关,使用常规光源的AR设备也是如此。AR中的虚拟物体要达到最逼真的效果,应该是人眼没有聚焦的虚拟物体是虚化的,如果做不到这点除了影响视觉效果甚至有可能会引起眩晕。引起眩晕等不适感是因为人的大脑对周边事物应该呈现的画面会进行基于经验的预判,当人眼看到的与大脑判断的画面不同时便会产生眩晕。使用AR时,如果大脑认为没有聚焦的地方应该是模糊的,但实际看到的又不是,有些人比较敏感很可能会有眩晕的现象。人眼在看不同物体时,眼睛的晶状体会随时调整厚薄程度来使物体更清楚,进行对焦。简单的说,就是当物体靠近时,我们人的瞳孔会进行收缩,类似于相机调小光圈减少光强,睫状肌收缩,使晶状体屈光度更大,让视网膜接受到清晰的实像,反之亦然。Magic Leap使用了前面提到的光子光场芯片来实现变焦的效果。如上文所述,衍射光波导承担传导图像并输出至人眼的功能,现在要改变输出图像的聚焦点可以通过改变波导输出光的角度实现。由于波导的物理特性决定了输出的光只能以特定的角度,于是Magic Leap采用了多层非常薄的波导叠加在一起的方案,每层的内在结构不同导致每层输出的光不同,芯片的作用在于利用算法启用合适的波导层输出特定焦距的图像,如下图所示。


之所以MagicLeap如此的神秘一方面其产品原理有很独到的地方,另一方面可能也有技术还不成熟的原因。前面讲的这些方案实施起来有很多难题需要攻克,比如控制光纤很精准的在微米级的幅度运动需要精密的电机和控制算法,还要解决震动对光纤扫描带来的影响。为了达到高帧速及大尺寸,光纤必须极快速的扫描,现在能做到什么程度也是未知之数。运用电机等控制设备势必带来更高的功耗,对于移动设备肯定是不利的。


▶ 
HoloLens
由微软开发的HoloLens是目前应用最丰富的AR设备,得益于微软Windows操作系统的辅助,推动AR生态链形成,而其他AR设备多数选择安卓操作系统。HoloLens于2015年1月发布,目前已经在美国、英国、澳大利亚、法国、日本等9个国家正式发售。由于HoloLens具有良好的显示效果和手势交互系统,微软将其定义为MR(混合现实,Mixed Reality)产品,实际上仍然属于AR范畴。由于同属于微软,HoloLens和Windows操作系统结合得较好,因此拥有相对更丰富的应用程序。微软已联合多家软件开发商,专门为HoloLens开发应用,包括商用软件和游戏等,原有的各种Windows支持的软件也可以在HoloLens上运行。微软自家经营的应用商店Windows Store以及游戏平台Xbox都将成为HoloLens重要的内容资源。

资料来源:微软


除了个人用户外,HoloLens还拥有大量企业与研究所客户。微软先后与奥迪、大众、空客、NASA、BD医疗、凯斯西储大学等建立合作,将HoloLens投入包括汽车、机械、建筑、航空、医疗、军工、研究等数个领域。

资料来源:微软、西南证券整理


HoloLens的呈像方案是由硅基液晶微型投影仪(LCoS)为光源,通过光波导传递画面至人眼。下图中是简易的LCoS投影仪的示意图,其中RGB三原色光先由白光分离出来,再进行耦合后输出,接着射进光波导中。由于前面提到过的不同色光拥有不同的光波,RGB三种颜色在波导中衍射的路径势必不同。为精准控制三光的传播,HoloLens采用了三层波导分别传导RGB的方案,在投向人眼前让光射出波导并再次耦合成完整的画面。这其中对波导光栅的设计和精加工工艺要求极高,要精准到纳米级别才能使得输出的画面准确被投射到人眼。与Magic Leap一样HoloLens面临如何量产的问题,其他的硬件都是成熟工艺相对容易,但光学部分目前没有成熟的生产方案。过低的良率导致生产成本居高不下,这也是为什么HoloLens售价在3000美元。


HoloLens的不足之处在于FOV不够广,官方数据是40度,实际只能做到30多度,这是受其呈像方案的一些特质以及成本所局限。同时,由于采用三层波导使得镜片透光度不是很好,看到的实景较暗也会影响用户体验。另一个问题是HoloLens目前无法做到调整对焦点,正如前面所述这有可能造成不适感,或降低虚拟图像的逼真程度。一种解决方式是对眼球进行追踪,如果能判断人眼对焦点便可以相应将虚拟图像模糊处理。原先有传言HoloLens会使用这种方案,但在最新发布的机型上并没有看到,有可能在技术上较难实现或者因为成本、体积、功耗等原因暂时搁置。目前HoloLens的参数如下表:


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Lumus
Lumus是一家以色列公司,由前空军飞行员Yaakov Amitai博士成立于2000年。公司之前为军方提供光学镜片材料,现推出针对消费级AR市场的光学解决方案。Lumus最新的产品如下图,虽然产品是眼镜整机但公司的重心仍在光学上,眼镜只是做应用的展示,就像英特做无人机解决方案是为了卖出更多芯片一样。公司目前获得中国公司盛大集团和水晶光电共1500万美元的投资,水晶光电将为其提供部分加工服务,而盛大已在AR领域进行多项布局。


Lumus的呈像原理大体也是用LCoS投射图像,通过波导传递到人眼,但是与HoloLens不同的是Lumus只用一层波导。当光射出波导时利用三块半透镜将画面放大,从而耦合出更大的FOV。这种方案使得镜片透光度非常好,与常规的眼镜没有什么区别,能毫无干扰的看到背景中的实景。另外,没有Meta的大屏幕、Magic Leap的各种光纤电机控制器、以及HoloLens的三层镜片,Lumus眼镜更加轻巧便携,同时精简了部件在功耗上也能做到更节省,应该说是性价比最高的一个方案。目前按照官方的数据,Lumus的FOV同样在40度,分辨率为2K,售价同样是3000美元。公司正在积极解决的是扩展FOV以及如何达到镜片的量产。


光波导的生产
光波导常用石英玻璃、硅基复合材料等,材料成本便宜但是在其上进行精加工很难,其表面形状和局部误差要求甚严,任何表面误差将使衍射光束的波前发生变形,从而影响成象质量和强度分布。AR用到的波导需要刻制细小的光栅,如下图,任何一种具有空间周期性的衍射的光学元件都可以称为光栅。光栅分为3D立体光栅,光栅尺,安全光栅,复制光栅,全息光栅,反射光栅,透射(衍射)光栅,基本上都是由一系列狭缝组成,在1毫米的长度上往往刻有N多条的刻痕。刻痕处不透光,未刻处透光,我们称之为透射光栅,另一种光栅是反射光栅,有些需要进行特殊的镀膜处理,这些制作工艺犹如在发丝上雕刻,难度相当高。除此之外,常规的生产过程对生产环境要求严格,光栅刻划室要无尘,温度要求保持0.01-0.0313度变化范围,室的相对湿度不应超过60-70%,光栅刻划机工作台的水平振动不超过1-3微米等,这些又增加了生产成本。


制造光栅的方法主要有机械刻划,光电刻划,复制法等。机械刻划是古老但可靠的方法,间隙刻划技术比较成熟。但要刻划一块100x100mm的光栅(刻划机的刻划速度为15—25条/分)计算须要4个昼夜,对量产不利。同时要求机器、环境在长时间内保持精确恒定不变。目前Lumus、HoloLens等应该都是采用机械刻划的方式,尤其Lumus的波导光栅是倾斜的,更增加了制作难度。光电刻划就是利用光电控制的方法可以在某种程度上排除光栅刻划过程中机械变动和环境条件改变所产生的各种刻划误差。它一方面提高了光栅刻划质量,另一方面也能在一定程度上简化机械结构、降低个别零件的精度和对周围环境的要求。最后,复制法光栅刻划时间长和效率低,因此成本很高。目前复制法有二种:一次复制法就是真空镀膜法。二次复制法是明胶复制法。一次复制法是一次制成,而二次复制法是先复制母光栅的划痕,然后用该划痕印划在毛胚的明胶上。二次复制的工艺比较烦琐,但需要设备比较简单,生产环境也不需要达到上述的无尘、恒温等条件,是相对容易实施的方式。

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