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漫谈AR王牌技术全息光波导与阵列光波导刻蚀光波导的区别及优势瓶颈

时间:04-29 13:18 阅读:2693次 转载来源:三极光电科技(苏州)有限公司     作者:远望

摘要:光波导技术总体上可以分为几何光波导和衍射光波导两种,几何光波导主要是所谓的阵列光波导,其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出,这一技术的代表公司是以色列的Lumus公司,目前国内的绝大多数光波导模组公司也均采用阵列波导的技术,因为这种的技术门槛相对来说比较低;衍射光波导主要有基于光刻技术的表面浮雕光栅波导和基于全息技术的全息光波导

ARC转转 ARC增强现实

最近不少智库、大佬、媒体、平台在预测AR/VR将是下一个计算机浪潮,下一个三十年的科技文明。这些我们暂时不评述,今天我们请到了三极光电科技(苏州)有限公司的联合创始人袁俊旗,一起和袁总谈谈AR智能眼镜绕不开的国际前沿技术——全息光波导


ARC:据我们所知,目前光波导技术已经在一些可穿戴AR设备应用,例如HoloLens,Magic Leap One,那么全息光波导和光波导是什么关系?在技术上又有哪些优势?

袁俊旗:光波导技术总体上可以分为几何光波导和衍射光波导两种,几何光波导主要是所谓的阵列光波导,其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出,这一技术的代表公司是以色列的Lumus公司,目前国内的绝大多数光波导模组公司也均采用阵列波导的技术,因为这种的技术门槛相对来说比较低;衍射光波导主要有基于光刻技术的表面浮雕光栅波导和基于全息技术的全息光波导,您说的HoloLens,Magic Leap One均属于前者,也即是表面浮雕光栅波导,其核心是一些亚波长的刻蚀光栅组成,通过高效率衍射实现图像的引导。全息光波导(Holographic waveguide)则是使用全息光学元件(Holographic Optical Element,HOE)代替以上的刻蚀光栅,实现虚拟图像的引导,苹果公司收购的Akonia公司采用的便是采用的全息光学元件,相比较刻蚀光栅,全息光学元件是通过双光束激光全息曝光的方式,直接在微米级光聚合物薄膜内干涉形成纳米级的光栅结构,因此在工艺上,全息光波导更加高效,成本较其他光波导技术也具有明显优势。


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另外值得一说的是,AR显示要尽可能的保证外界真实场景的特征,例如外景的清晰度,畸变,以及亮度不受波导的影响,在这一点上,全息光波导由于HOE的高透明,高衍射效率特点,较阵列波导具有明显优势,且不易产生鬼像,目前很多AR领域的从业者混淆了光波导和全息光波导概念,本质上,前者属于几何光学范畴,后者属于衍射光学范畴,是两种不同的技术方案。

表面浮雕光栅波导国际上主要以微软的hololens系列的斜光栅和英国waveoptics的纳米柱式间断性为代表。体全息光波导国际上主要以美国digilens,英国BAE,NPL,索尼等为代表先发优势,三极光电就是这一个方向。

ARC:全息光波导作为一种未来的前沿技术,请您简单介绍一下目前贵公司的基本情况?在全息光波导研发进展?研发的难度如何?

袁俊旗三极光电科技(苏州)有限公司成立于2016年,在此之前,我从事全息技术十多年,公司里的其他搭档有合作六七年的,也有从事近三十年的,因为共同的追求走到一起,合作至今,三极光电在全息技术,尤其是HOE以及全息光波导研发制造技术拥有数十年的经验,具有极雄厚的研发工艺沉淀。成立至今,在没有其他商业资本和机构加持的情况下,我们不断完善全息波导的研发制造能力,目前,我们已经成功研制出单色一维波导、二维扩瞳全息波导,以及双彩色全息波导,成像清晰,处于国内全息光波导领先地位,综合性能超过某些国际知名公司。

在制造全息波导前,我们需要经过精确的模拟计算,得到特定规格的光束来做曝光,过程中所使用的激光光强、主频率、带宽、相干性,以及材料的配方、曝光环境这些都是经过无数次光学实验获得的最优方案。很多参数都无法通过简单的光学分析来反推出来,需要根据材料的特点通过真实的全息实验寻找最佳参数,因此这也提升了技术的研发难度和市场垄断性。因为任何环节出了问题上述的每个制程你也得排查,有时候正确的参数也会因为制程中太多的影响因素而误判。我们团队在全息技术领域拥有的丰富经验和多项核心技术,使得我们在很有限的条件下完成全息波导现在的一定成果。

三极光电科技彩色体全息波导传输展示,红绿蓝叠加白色颜色相当正

ARC:您说到核心技术,目前全息光波导的技术瓶颈都有哪些?贵公司在核心技术的布局方面如何?

袁俊旗:全息光波导和阵列光波导以及其他技术方案的光学模组比较,优势很明显,但是技术瓶颈也更多,主要有模拟设计,材料,以及工艺制备这三个方面。市面上的现有的光学软件,例如Zemax,Code V以及一些非序列的设计软件LightTools,Optisworks对于几何光学都能很好的胜任,但是其无法很好的对全息衍射波导进行有效的模拟,因为里面有很多次的光线折转,因此我们公司编写了相应的光学追迹程序,适合于波导的特点,用于二维全息光波导的光线模拟和效率优化,国际上的全息光波导大公司也都是如此,例如英国BAE,美国DigiLens。

材料主要是指HOE中的感光材料,对于全息光波导,需要其制造前后的低收缩比,高效率以及高均匀性,目前我们使用的材料已经相当稳定,已经大量用于全息波导的加工。

工艺方面,如前所述,更多的是需要全息技术的制造光路以及曝光经验,它和使用的材料非常相关,而且它绝对是核心技术之一,我们能够制造出二维全息光波导,已经在这方面领先其他研究单位。目前我们还没有在专利中透露详细的技术细节。


ARC :从技术工艺上看,全息光波导综合性是否还有更大的提升空间?

袁俊旗:全息技术由丹尼斯·盖博于1947年发明,并于1971年获得诺贝尔物理学奖,它本身就是一种很灵活的技术,很多几何光学完成不了的工作,或者需要很多元件才能完成的功能,通过全息记录技术,都可以在很紧凑的空间内以最少的元件完成。全息光波导正是采用全息技术,因而其综合性能还有很大的提升空间,如视场角、色彩、运动盒、适眼距等关键指数,可以随着材料的特性、制造光路的升级、工艺技术制备等大幅度改进而得以提升,在不增加系统复杂度的条件下,这点和其他显示方案例如自由曲面,棱镜以及阵列波导有着无与伦比的优势。DigiLens正在研发的波导模组,表明其可提供双眼150度的视场角,事实上利用全息技术的优势,目前我们也在彩色和视场角领域发力,且已经研发出双色的全息波导,显示的虚拟图像更加真实。

此外,全息光波导作为核心元件,除了头戴显示,飞机以及汽车的平显也是一个重要的应用领域,我们当前也正在与国内一些单位合作开展了全息波导抬头显示器的预研工作(Holographic Head-up Display,HHUD)。


ARC: 三极光电全息波导未来发展会受国际上专利的影响吗?在具体的量产及成本有优势吗?

袁俊旗:三极光电全息波导是属于自主研发,制造工艺完全掌握在我们自己手里,这一点较其他AR模组相比,我们不受其他公司专利,或者材料供应商的牵制,在国内外展会,销售都不会存在侵权行为,未来,我们基于我们现有的技术基础,将会在核心技术群上形成我们自己的独有技术。再说起量产, AR全息光波导光栅组,确实制备起来比普通光栅难度要大,但我们的全息曝光工艺在几秒内便可以完成一片光栅的形成,实验室两人一组制备一天也能六七十片,添加自动化辅助设备加上相应的模具工装,完善各生产环节,实现标准化,全自动化,批量化生产产量是相当可靠的。

再说成本,全息曝光制造是公认的低成本微纳制造技术,这来源于其加工的流程和加工方式,这是全息曝光式波导的一大优势,此外,体全息光栅波导良品率较其他波导技术高很多,量产难度小,大面积制备时各处的均匀性会非常好,我们在实际的生产中已经证实了这一点,这有利于其他的显示应用方案,例如大面积的HUD平板设备制备。除了成本和量产的优势,还有上面提到的高透明,高效率优势,全息波导在保持轻薄平板结构的同时,可以轻松实现光瞳的扩展,视场角的扩展,可以在一些特定场景下与其他设备集成,这是几何光波导技术很难实现的。

ARC:目前贵公司在全息波导领域已经取得了如此快的进步,处于国内领先水平,下一步你们有什么具体的研发计划值得期待?在研发资金方面有没有资金注入需求?

袁俊旗:我们在全息技术以及全息波导领域,默默耕耘了数十年,全息光波导作为新一代的AR光学硬件,较棱镜,自由曲面,阵列波导等技术,更加符合使用者对增强现实眼镜的终极追求,轻薄,便宜,美观等,结合5G技术,全息光波导将为可穿戴AR设备注入新的活力,作为见证者和参与者,我们感到十分激动,目前,一维波导的成像质量非常好,我们已经开始小批量销售,希望以此能够快速促进全息波导技术的发展和拓宽其应用领域。下一步,立足于用户需求的同时,我们将进一步完善目前的波导产品,包括二维,以及三色彩色波导的研发工作,进一步降低制造成本,提高各参数指标,完善各生产环节,实现标准化,全自动化,此外,我们还将开展新技术的研发,包括视网膜投影技术等。

对于资金方面,当然我们希望我们的工作能够得到更多资本市场的注入,全息波导在研发时期的设施和实验投入,人才管理等方面,需要一定的研发费用,我们愿意和资本市场结合,互利共赢,以支持我们的研发,人才储备等工作,共同推进AR核心技术的自主化。



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三极光电科技(苏州)有限公司坐落于苏州市太湖湖畔,是一家集二十多年全息技术(Holography)传承,以全息衍射光学产品研发为主的高科技企业。团队由从事全息衍射光学近三十年研发和生产的兵器工业高级工程师技术领衔,85%核心成员从事全息衍射光学十几年,包含有增强现实业内资深技术人士。各位成员因为共同的追求走到一起,合作至今。三极光电科技在全息技术,尤其是全息光学元件(Holographic Optical Elements,HOE)以及全息光波导研发制造技术上拥有多年研发经验,具有雄厚的研发工艺沉淀,业务从激光全息,微纳压印薄膜光学材料到高端的激光全息微纳米光电系统组件,稳扎稳打,以前瞻性的视角不断进行产业升级。

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