AR智能眼鏡繞不開的核心技術(shù)--全息光波導(dǎo) - 全文

最近不少智庫、大佬、媒體、平臺在預(yù)測AR/VR將是下一個(gè)計(jì)算機(jī)浪潮，下一個(gè)三十年的科技文明。這些我們暫時(shí)不評述，今天我們請到了三極光電科技（蘇州）有限公司的聯(lián)合創(chuàng)始人袁俊旗，一起和袁總談?wù)凙R智能眼鏡繞不開的國際前沿技術(shù)——全息光波導(dǎo)。

ARC：據(jù)我們所知，目前光波導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)在一些可穿戴AR設(shè)備應(yīng)用，例如HoloLens，Magic?Leap?One，那么全息光波導(dǎo)和光波導(dǎo)是什么關(guān)系？在技術(shù)上又有哪些優(yōu)勢？

袁俊旗：光波導(dǎo)技術(shù)總體上可以分為幾何光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)兩種，幾何光波導(dǎo)主要是所謂的陣列光波導(dǎo)，其通過陣列反射鏡堆疊實(shí)現(xiàn)圖像的輸出，這一技術(shù)的代表公司是以色列的Lumus公司，目前國內(nèi)的絕大多數(shù)光波導(dǎo)模組公司也均采用陣列波導(dǎo)的技術(shù)，因?yàn)檫@種的技術(shù)門檻相對來說比較低；衍射光波導(dǎo)主要有基于光刻技術(shù)的表面浮雕光柵波導(dǎo)和基于全息技術(shù)的全息光波導(dǎo)，您說的HoloLens，Magic?Leap?One均屬于前者，也即是表面浮雕光柵波導(dǎo)，其核心是一些亞波長的刻蝕光柵組成，通過高效率衍射實(shí)現(xiàn)圖像的引導(dǎo)。全息光波導(dǎo)（Holographic?waveguide）則是使用全息光學(xué)元件（Holographic?Optical?Element，HOE）代替以上的刻蝕光柵，實(shí)現(xiàn)虛擬圖像的引導(dǎo)，蘋果公司收購的Akonia公司采用的便是采用的全息光學(xué)元件，相比較刻蝕光柵，全息光學(xué)元件是通過雙光束激光全息曝光的方式，直接在微米級光聚合物薄膜內(nèi)干涉形成納米級的光柵結(jié)構(gòu)，因此在工藝上，全息光波導(dǎo)更加高效，成本較其他光波導(dǎo)技術(shù)也具有明顯優(yōu)勢。

另外值得一說的是，AR顯示要盡可能的保證外界真實(shí)場景的特征，例如外景的清晰度，畸變，以及亮度不受波導(dǎo)的影響，在這一點(diǎn)上，全息光波導(dǎo)由于HOE的高透明，高衍射效率特點(diǎn)，較陣列波導(dǎo)具有明顯優(yōu)勢，且不易產(chǎn)生鬼像，目前很多AR領(lǐng)域的從業(yè)者混淆了光波導(dǎo)和全息光波導(dǎo)概念，本質(zhì)上，前者屬于幾何光學(xué)范疇，后者屬于衍射光學(xué)范疇，是兩種不同的技術(shù)方案。

傾斜表面浮雕光柵

全息光波導(dǎo)

ARC：全息光波導(dǎo)作為一種未來的前沿技術(shù)，請您簡單介紹一下目前貴公司的基本情況？在全息光波導(dǎo)研發(fā)進(jìn)展？研發(fā)的難度如何？

袁俊旗：三極光電科技（蘇州）有限公司成立于2016年，在此之前，我從事全息技術(shù)十多年，公司里的其他搭檔有合作六七年的，也有從事近三十年的，因?yàn)楣餐淖非笞叩揭黄穑献髦两?，三極光電在全息技術(shù)，尤其是HOE以及全息光波導(dǎo)研發(fā)制造技術(shù)擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，具有極雄厚的研發(fā)工藝沉淀。成立至今，在沒有其他商業(yè)資本和機(jī)構(gòu)加持的情況下，我們不斷完善全息波導(dǎo)的研發(fā)制造能力，目前，我們已經(jīng)成功研制出單色一維波導(dǎo)、二維擴(kuò)瞳全息波導(dǎo)，以及雙彩色全息波導(dǎo)，成像清晰，處于國內(nèi)全息光波導(dǎo)領(lǐng)先地位，綜合性能超過某些國際知名公司。

在制造全息波導(dǎo)前，我們需要經(jīng)過精確的模擬計(jì)算，得到特定規(guī)格的光束來做曝光，過程中所使用的激光光強(qiáng)、主頻率、帶寬、相干性，以及材料的配方、曝光環(huán)境這些都是經(jīng)過無數(shù)次光學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得的最優(yōu)方案。很多參數(shù)都無法通過簡單的光學(xué)分析來反推出來，需要根據(jù)材料的特點(diǎn)通過真實(shí)的全息實(shí)驗(yàn)尋找最佳參數(shù)，因此這也提升了技術(shù)的研發(fā)難度和市場壟斷性。因?yàn)槿魏苇h(huán)節(jié)出了問題上述的每個(gè)制程你也得排查，有時(shí)候正確的參數(shù)也會因?yàn)橹瞥讨刑嗟挠绊懸蛩囟`判。我們團(tuán)隊(duì)在全息技術(shù)領(lǐng)域擁有的豐富經(jīng)驗(yàn)和多項(xiàng)核心技術(shù)，使得我們在很有限的條件下完成全息波導(dǎo)現(xiàn)在的一定成果。

三極光電科技全息光波導(dǎo)測試裝置（二維）

ARC：您說到核心技術(shù)，目前全息光波導(dǎo)的技術(shù)瓶頸都有哪些？貴公司在核心技術(shù)的布局方面如何？

袁俊旗：全息光波導(dǎo)和陣列光波導(dǎo)以及其他技術(shù)方案的光學(xué)模組比較，優(yōu)勢很明顯，但是技術(shù)瓶頸也更多，主要有模擬設(shè)計(jì)，材料，以及工藝制備這三個(gè)方面。市面上的現(xiàn)有的光學(xué)軟件，例如Zemax，Code?V以及一些非序列的設(shè)計(jì)軟件LightTools，Optisworks對于幾何光學(xué)都能很好的勝任，但是其無法很好的對全息衍射波導(dǎo)進(jìn)行有效的模擬，因?yàn)槔锩嬗泻芏啻蔚墓饩€折轉(zhuǎn)，因此我們公司編寫了相應(yīng)的光學(xué)追跡程序，適合于波導(dǎo)的特點(diǎn)，用于二維全息光波導(dǎo)的光線模擬和效率優(yōu)化，國際上的全息光波導(dǎo)大公司也都是如此，例如英國BAE，美國DigiLens。

材料主要是指HOE中的感光材料，對于全息光波導(dǎo)，需要其制造前后的低收縮比，高效率以及高均勻性，目前我們使用的材料已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定，已經(jīng)大量用于全息波導(dǎo)的加工。

工藝方面，如前所述，更多的是需要全息技術(shù)的制造光路以及曝光經(jīng)驗(yàn)，它和使用的材料非常相關(guān)，而且它絕對是核心技術(shù)之一，我們能夠制造出二維全息光波導(dǎo)，已經(jīng)在這方面領(lǐng)先其他研究單位。目前我們還沒有在專利中透露詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

三極光電全息光波導(dǎo)光線追跡

ARC ：從技術(shù)工藝上看，全息光波導(dǎo)綜合性是否還有更大的提升空間？

袁俊旗：全息技術(shù)由丹尼斯·蓋博于1947年發(fā)明，并于1971年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，它本身就是一種很靈活的技術(shù)，很多幾何光學(xué)完成不了的工作，或者需要很多元件才能完成的功能，通過全息記錄技術(shù)，都可以在很緊湊的空間內(nèi)以最少的元件完成。全息光波導(dǎo)正是采用全息技術(shù)，因而其綜合性能還有很大的提升空間，如視場角、色彩、運(yùn)動盒、適眼距等關(guān)鍵指數(shù)，可以隨著材料的特性、制造光路的升級、工藝技術(shù)制備等大幅度改進(jìn)而得以提升，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的條件下，這點(diǎn)和其他顯示方案例如自由曲面，棱鏡以及陣列波導(dǎo)有著無與倫比的優(yōu)勢。DigiLens正在研發(fā)的波導(dǎo)模組，表明其可提供雙眼150度的視場角，事實(shí)上利用全息技術(shù)的優(yōu)勢，目前我們也在彩色和視場角領(lǐng)域發(fā)力，且已經(jīng)研發(fā)出雙色的全息波導(dǎo)，顯示的虛擬圖像更加真實(shí)。

此外，全息光波導(dǎo)作為核心元件，除了頭戴顯示，飛機(jī)以及汽車的平顯也是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，我們當(dāng)前也正在與國內(nèi)一些單位合作開展了全息波導(dǎo)抬頭顯示器的預(yù)研工作（Holographic?Head-up Display，HHUD）。

三極光電光瞳擴(kuò)展全息光波導(dǎo)

ARC：?三極光電全息波導(dǎo)未來發(fā)展會受國際上專利的影響嗎？在具體的量產(chǎn)及成本有優(yōu)勢嗎？

袁俊旗：三極光電全息波導(dǎo)是屬于自主研發(fā)，制造工藝完全掌握在我們自己手里，這一點(diǎn)較其他AR模組相比，我們不受其他公司專利，或者材料供應(yīng)商的牽制，在國內(nèi)外展會，銷售都不會存在侵權(quán)行為，未來，我們基于我們現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，將會在核心技術(shù)群上形成我們自己的獨(dú)有技術(shù)。再說起量產(chǎn)， AR全息光波導(dǎo)光柵組，確實(shí)制備起來比普通光柵難度要大，但我們的全息曝光工藝在幾秒內(nèi)便可以完成一片光柵的形成，實(shí)驗(yàn)室兩人一組制備一天也能六七十片，添加自動化輔助設(shè)備加上相應(yīng)的模具工裝，完善各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，全自動化，批量化生產(chǎn)產(chǎn)量是相當(dāng)可靠的。

再說成本，全息曝光制造是公認(rèn)的低成本微納制造技術(shù)，這來源于其加工的流程和加工方式，這是全息曝光式波導(dǎo)的一大優(yōu)勢，此外，體全息光柵波導(dǎo)良品率較其他波導(dǎo)技術(shù)高很多，量產(chǎn)難度小，大面積制備時(shí)各處的均勻性會非常好，我們在實(shí)際的生產(chǎn)中已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)，這有利于其他的顯示應(yīng)用方案，例如大面積的HUD平板設(shè)備制備。除了成本和量產(chǎn)的優(yōu)勢，還有上面提到的高透明，高效率優(yōu)勢，全息波導(dǎo)在保持輕薄平板結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以輕松實(shí)現(xiàn)光瞳的擴(kuò)展，視場角的擴(kuò)展，可以在一些特定場景下與其他設(shè)備集成，這是幾何光波導(dǎo)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的。

ARC：目前貴公司在全息波導(dǎo)領(lǐng)域已經(jīng)取得了如此快的進(jìn)步，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，下一步你們有什么具體的研發(fā)計(jì)劃值得期待？在研發(fā)資金方面有沒有資金注入需求？

袁俊旗：我們在全息技術(shù)以及全息波導(dǎo)領(lǐng)域，默默耕耘了數(shù)十年，全息光波導(dǎo)作為新一代的AR光學(xué)硬件，較棱鏡，自由曲面，陣列波導(dǎo)等技術(shù)，更加符合使用者對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的終極追求，輕薄，便宜，美觀等，結(jié)合5G技術(shù)，全息光波導(dǎo)將為可穿戴AR設(shè)備注入新的活力，作為見證者和參與者，我們感到十分激動，目前，一維波導(dǎo)的成像質(zhì)量非常好，我們已經(jīng)開始小批量銷售，希望以此能夠快速促進(jìn)全息波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。下一步，立足于用戶需求的同時(shí)，我們將進(jìn)一步完善目前的波導(dǎo)產(chǎn)品，包括二維，以及三色彩色波導(dǎo)的研發(fā)工作，進(jìn)一步降低制造成本，提高各參數(shù)指標(biāo)，完善各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，全自動化，此外，我們還將開展新技術(shù)的研發(fā)，包括視網(wǎng)膜投影技術(shù)等。

對于資金方面，當(dāng)然我們希望我們的工作能夠得到更多資本市場的注入，全息波導(dǎo)在研發(fā)時(shí)期的設(shè)施和實(shí)驗(yàn)投入，人才管理等方面，需要一定的研發(fā)費(fèi)用，我們愿意和資本市場結(jié)合，互利共贏，以支持我們的研發(fā)，人才儲備等工作，共同推進(jìn)AR核心技術(shù)的自主化。