日前，由深圳市增强现实技术应用协会（简称：深圳市AR协会）主办、微泽网协办的2018聚智ARVR行业应用高峰论坛在深圳会展中心8号馆如期举行。本次大会的主题是：聚焦智能 显势未来。现场，惠牛科技CEO张韦韪《AR光学模组的发展和趋势》主题演讲！

很荣幸也这个机会和大家一起分享和探讨，我是惠牛科技的张韦韪。

 我的内容相对短一点。首先和大家分享一下关于光学学科和产业的基本情况，然后是光学技术在现实产业中应用，具体来说是在显示模组以及光学方案的对比，接下来有一个走势。

  前面想先强行科普一下关于光学学科的知识。光学学科出现得非常早，因为视觉是和人和这个世界交互信息比重中最高的，占83%，所以人类在还没有真正进入到科学研究之前，已经对视觉相关进行了很多探讨和探索。在16世纪之前，人类对光的理解是人的眼睛发出了一束光，靠这束光照射到一个物体上，然后把这个物体的信息抓取回来。现在看来显然是已经纠正过来了，这个过程是在16世纪发生的，这个时候是几何光学的起点。从这个时候开始，光是一种客观存在的物质，照射到物体上面，反射到人的眼睛。随后几十年的时间，发现几何光学有一些非常基本的现象解释不了，然后才出现了波动光学，大家发现光不是一个简单的例子，更像是一种波动，例如声波、水波。直到20世纪初的时候，大家又发现了波动光学非常大的漏洞，有些现象怎么样也解释不了，例如光电效应。随后爱因斯坦提出玻璃二象性，它既是波动，也是粒子。过去100年，这种看法依然保持了很久，也许未来会有新的认知。

 再花一点时间给大家介绍一下几何光学。几何光学的创始人是牛顿，他做了很多实验，包括有一些很惊险的实验，甚至拿着木锥戳自己的眼睛，发现了牛顿环等规律，在我们工业生产做一些高精密的测量时，到目前为止还在使用。几何光学有几个概念，首先，光是一个粒子，基于这个粒子假设，推导出来光是沿直线传播，会有反射和折射现象，以及光可逆，通过镜子看到人的脸和眼睛。在几何光学理论之上，大家在技术上发展出了很多应用，截止到目前，这些应用在我们生活中的方方面面都在覆盖，包括手机的摄象头，相机的镜头。从100年前就已经出现的幕布电影，在医疗和学术研究领域中的显微镜，随处可见的照明，怎么样做到亮度均匀等等，这都是在几何光学下就可以实现的。这个理论是17世纪出现的，现在大家用这个理论时有一些很好的工具，包括AR光学设计里面都有一些软件工具，它的原理是比较经典的。这个理论有一些很直观的现象解释不了，比如说两束光，如果是粒子，两束光如果一起照射，它的传播方向是受影响的，会沿着两束光中间方向传播，但实际上并不是如此，尤其是手电筒的光相互之间是没有干扰的，这就是光粒子学说很典型的瓶颈。所以在牛顿提出几何光学之后不久，大家发现他的理论需要完善，所以后来提出了波动光学，也叫惠更斯光学、物理光学，都是一个意思。惠更斯是和牛顿同时期的人物，观点是光会波动。之后接近200年的时间，迈克斯韦告诉了大家光的衍射现象。现在产值最高的是在通讯方面，我们平时用的光纤通讯，大家在谈互联网手机上网等等，信号传播都是基于光纤，光纤被应用到了光的电磁波的电磁场分布。还有光的衍射波导技术，一个5-10年之后更方便的技术是共轭全息裸眼3D。在新的手机3D摄象头，涉及到的3D结构光摄象头模组需要应用到DOE，以图案的扭曲判断景深。

下面给大家介绍一下显示产业，大家了解可能会比较多。100年前是电影，五六十年前是电视机，是纯平的，之后出现了等离子体的显示，现在占主流的是液晶模组。最近这五年蓬勃发展，非常火的是OLED显示。还有最前沿的，大家在显示产业探讨的U-LED。上面的分杈更多是在平板显示领域，另外一个分杈是投影显示，现在大家看到比较多的是近眼投影，包括AR/VR作为它呈现的一种载体形态。我这里给大家分享了一下它用到了哪些层面的光学，最早的电影是几何光学，LCD里面用到了波动光学的偏振属性，我们在电影院里面看的3D电影，那个镜片就是一个光学的偏振片。投影里面用的主要是两类原理——几何光学和波动，波动主要用到衍射和一以干涉。LED和OLED、激光都用到了量子光学的原理。

之所以说这么多，和我们公司的名字相关，我们叫惠牛，名字听起来有点土，牛指牛顿，惠指惠更斯，说明我们专注做光学的事。团队去年年初成立，就围绕着光学来搭建，目前有15个人，75%是研发人员，而这些研发人员全部都是光学或者显示产业的背景，有几名博士，基本上每个人都有光学细分领域的行业经验。

我还是尽快切入到主题——AR。我这里的AR和刚才陈总、徐总提到的AR可以更细更专注，主要是讲头显。它能实现的几个效果，概括起来有四个方面的价值点。首先是解放双手，这样就不用每隔几分钟掏出手机低头去回应。第二是3D，现在手机屏幕非常难呈现3D图象的效果。十年前有很多大厂，包括LG、夏普，以及国内的一些创业企业到目前还在做尝试，但是现在在原理上还有比较大的挑战。通过AR/VR形态，咱们用的是两个屏，分别去把左右眼需要看到的画面分发左右眼，这样的过程非常容易实现，所以很容易实现3D，和电影院的电影是一样的。投影大屏，例如我身后的屏幕，需要花费很多才能得到，但是VR眼镜的虚象形象非常方便，从2米放到20米，现在VR很多品牌商都喜欢弄20米远的距离。只需要头戴这么大的体积，而且可以随身携带。第四是第一视角，简单来说就是虚实之间有一个叠加，在AR出现之前，要想获得一个额外的信息，比较常见的是手机或者说明书，在看说明书和实物时，说明书讲解一个实物怎么使用，视角就要来回切换，一会儿看实物，一会儿看说明书画的图。但是假如VR会把说明书叠加在实物上，这样效率更高一些。基于这四个方面，在教育、医疗、军事方面，能够提升效率和安全性。C端也一样，能够提升生活的效率和安全性，你就不用边拿着手机看边过马路。提升生活便利性，丰富娱乐体验，它和AR游戏、PC游戏都不一样。

      具体应用不展开了。说一下AR头显硬件构成。包括输出端显示模组，计算端、交互端（非常重要，陈总提到交互的形态，最开始是键盘，后来变成了触摸屏，到了AR行业很可能会是手势的识别或者手上戴什么样的传感器），除此之外是相对传统一点的电源、ID结构，是否更高效率、省电等等。我们做的工作是在显示模组输出端，有两部分构成，包括微显示屏和光机，光机通俗说是镜头。微显示屏通电之后显示一个图案，通过瞳孔形成虚像。

 我先从微显示屏开始说起，主要有三种选择，包括LCD、LCOS、Si-OLED。LCD在一些定位相对低端，专门打价格的产品上会有使用，但是显示屏会存在问题，例如亮度比较低，对比度比较低。在用手机的时候，大家不一定很敏感，但是放到AR场景下，对比度非常关键。同时小一点尺寸的LCD屏幕供应在业内不是太充足，以前大家都是使用在手机上，一般4英寸、5英寸，而AR/VR上是一个大的面罩，大家对重量接受不了。LCOS亮度高，成本较低，但是缺点是对比度低，结构复杂、体积大。供应商比较多，全球可以找到至少十家。它和LCD一样，都是用到液晶，一个是投射，一个是反射，对比度很难超过1000，相对来说Si-OLED是它的1000倍，它有比较多的好处，色彩还原性好，不会有白底现象。但是也有它的一些暂时还没有解决的缺点，例如亮度正逐步提升，图片都在1000以上。成本也是当前非常大的瓶颈，供应商太少，同行的人应该对此都比较了解。国内有企业正在紧追索尼的脚步，等到明年推出量产产品，成本的问题就可以得到很好的改善。

 这一页PPT是当前世界头显排名第一的日本爱普生产品，把LCD和Si-OLED进行对比，这是颜色的对比。因为LCO和LCOS会有白解的现象，所以白色会把色彩的饱和度冲淡，Si-OLED相对来说颜色比较鲜艳。在晚上或者在室内光线不太强的地方使用AR头显的时候，对比度问题尤其突出。例如这里有个场景，想要描述用AR眼镜站在室外大楼前面，想提示你一些信息，例如这个楼的名字或者这个楼离你多远。如果你用的是LCD或者LCOS这种背景的液晶显示屏，得到的效果是白底，不管旁边是否通信号，都会有这样的背景，就像一层棉纱戴在实景之上，本来是想要增强实景，而现在破坏了实景，而对比度好的就没有这个问题。

      这一页比较关键，AR头显的5种主要的光学方案。包括两种棱镜，这是我们自己的归纳，业内有名称可能有不一样。谷歌眼镜就是共轴棱镜，爱普生、耐德佳属于离轴棱镜。平板波导分反射波导和衍射波导，两种产品的形态看起来相差不大，但是性价比和未来前景有非常大的差别。还有一种共轴曲面，还有第六种离轴曲线，从2014年、2013年活了一下，但是后来很少听说了，因为它做出来的形态体积偏大偏重，用的是5英寸左右的LCD屏幕，今天没有列出来。共轴方面，2012年年初，谷歌推出了Project  Glass可以做得非常小巧，如果要把视场角（FOV）做得很大，体积和重量就会成倍的增长。离轴棱镜想了一些方案，把平面换成曲面，把市场角（FOV）做的很大。比较有代表性的产品是爱普生。以色列的Lumus历史非常悠久，专利已经有近20年，2013年推出了他们的产品。国内有灵犀和珑璟。衍射波导方面是Microsoft  MagicLep、惠牛。共轴曲面方面是ODG、惠牛、影创、太若。

     我想从几个维度去对比一下五种光学方案。首先是重量维度，因为头戴设备对重量尤其敏感，例如0glass，首先讲的是轻量化。我们在挑选共轴曲面作为第一款解决方案的时候，就是因为它轻。棱镜材料都是实心材料。共轴曲面材料也是用树脂，但是是中空的，不像离轴棱镜一样需要补偿，那样重量就翻倍了。所以我们重量可以做到5克左右。棱镜也是轻的，但是大幅度的牺牲视场角。这里相对比较重的是离轴。两种平板波导方案都是用玻璃材料做的，密度会比树脂高很多。还有一个原因，是这两个方案曲径比较低。LCOS模组重量会重很多，虽然看起来比较薄，但是重量方面并没有优势。

    说到视场角的问题，共轴棱镜比较小，利轴棱镜把视敞角提升了。两种波导方案中，做得最好的是40多度。共轴曲面视场角方面做得比较好，最大可以达到51度。我们平时在用手机，例如iPhone7，正常距离是24度左右的视敞角，我们用PC笔记本在35度左右的视场角，台式机也是这样。平时在会议室开会，坐在中间位置看是55度。电影院里面比较大，这个屏幕也比较大，坐在第一排有七八十度的视场角。如果能够做到50度，就可以满足大多数人的视场角需求。

    这里有一个MTF（解像力）衡量的是光机的清晰度。我们在电脑、电视机、手机10象素的现实，这个领域大家不需要关心MTF，在手机上盖一层玻璃，画面质量是不衰减的。而AR/VR是投影光学，用到了投影和折射，用折射去放大了画面，0.7英寸的微显示屏经过投行成了虚像，在三米之外是100英寸，放大超过100倍，这个放大的过程同时也衰减了画面的质量，这个衰减需要有一个指标来衡量，目前因为我们行业处在早期阶段，衡量方式还没有充分的深入人心，但是在另外一个可以对标的领域中有一个非常好的指标可以拿来用，这就是手机摄象头，这和AR/VR投影显示是一个可逆向的过程，显示是把芯片发出来的图象透过镜头落到人的眼前。

    这五种不同的方案在MTF的表现有很大差异，这和光学设计、原理、对称性有很大的关系。粗略来说，共轴MTF比较好，离轴MTF相对比较弱。

    除了MTF之外，这一页还有另外一个概念，最终显示不仅仅是FTF和亮度的关系，还需要色彩，至少需要三种颜色去混色。大部分方案颜色还是比较可以的，但是衍射波导还有一个瓶颈，卡在了色散，它天然导致了分光。之前是做光学仪器的，也就是分光镜，所以就天然有这种不好的属性。也有好的属性，就是立体衍射的角度很大，刚好可以容易实现全衍射的条件。

    刚才说的是三个性能方面的原因，除了性能还需要成本，我还要买得起。成本和工艺直接相关，工艺决定了良产率的前景，良产率决定了可量产性和最终的售价。目前这五种方案的售价有非常大的差异，光机售价可以达到300人民币左右，加上微显示屏，成本在一千左右。反射波导，在国外的售价是1000人民币，国内因为价格差，至少要6000人民币，差了6倍左右。为什么差这么多？这和量产工艺的成熟度有关。共轴棱镜、离轴棱镜、工轴曲面更多使用产业内比较成熟的注塑轧膜的方式，追溯到它的历史，可能要追溯到伽利略做他的望远镜时。我们找到了设计方案，同时找到了传统的工艺。衍射波导也不差，会用到纳米压印技术，现在已经普及十几二十年，我们平时买的商品上眩目的商标就是用它做的，所以它的成熟度也还可但是需要设计出比较好的光栅工艺，有了母光栅以后就可以实现。所以它的成熟度又可以给两颗星。但是反射波导全名是阵列反射，原理并不复杂，这几个伪阵列的透过率、反射率彼此之间不一样，必须要把每一片单独拎出来去镀膜，然后塞回去，这样的过程使得它最终的良产率始终不理想。

      综合来比较，从重量、视敞角、MTF与色彩、成本来看，当前性价比更好的可能是共轴曲面方案。未来三年性价比潜力非常大的是衍射波导，它的可量产性和预期成本是比较OK的，不担忧。在性能层面有一点瓶颈，就在于色彩。大家为了解决色彩分析，用了权宜之计，既然三个颜色一起到光栅会分开和分杈，那就每一片光栅传导一个颜色，三片光栅传导三个颜色，确实能大部分解决问题，但是重量会变成原来的三倍，体积更大，甚至有产品用六片来满足一个眼镜的现实，所以它的轻薄性已经降低到很低了。

      目前我们量产了一系列的产品，对应不同型号，有0.3、0.5和0.7英寸。几个参数上的特征，视场角可以做到51度，单目模组重量只有12克。MTF表现，最后呈现出来的显示非常清晰，即便展示的内容是10号内容，也足够支撑看清楚。但是其他一些光学方案，例如离轴，就很难做到，也就中间区域可以看清，其他根本不行。价格，如果量比较大，双目模组可以到300人民币以下。

      这不仅仅是方案设计的问题，从方案到最终量产品中间有很多流程，这也是为什么一个初创公司很专注的只做AR头显显示模组里面的光学，只做一半，因为光这个事就已经有很多链条，具体的生产过程不详细说了。我们把整个产品做出样品以后，还有很多步骤，例如我要检测样品的可靠性，包括跌落测试，AR眼镜戴在头上离地面比较高，我们要重复跌落一千次，来看效果。还有防尘防雾，假设屏幕上落一颗灰尘就会被放大到很大，所以我们是密封的机器。还有水温和温度差的测试。用眼安全也是大家比较关心的，杨总也提到教育领域给小孩子用这些设备的时候，很关心是否对眼睛有伤害。我们专程请了显示行业的测试商，对红外辐射、蓝光等等，对眼睛的安全性进行测试，都是OK的。我们目前已经有量产的定单，AR/VR有15家左右的客户，包括来到现场的联想同事。

      我们在国内有16篇专利，包括PCT专利。我们已经提交了四篇关于衍射平板的方案，虽然我们当前给大家呈现的量产品是在共轴曲面的以后方案，但是我们也明白消费电子方面，大家首先还是看颜值，我刚才列出那些维度里面没有把颜值列进去，从颜值角度来说，大家肯定希望能够和近视眼镜形态的产品。所以去年公司成立时有两步走战略，先做一个当前竞争力很强的，同时落地性比较好，研发周期比较短的产品，先来满足客户在未来两三年的需求，等这个事情顺了，再开始全力做颜值高的升级型产品。我们争取在明年春节左右推出第一款衍射平板这种比较薄的产品出来。

    我大概就讲这么多，谢谢大家。

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