基于阵列光波导技术的AR光学模组技术

2023-04-06

作为关键的核心技术之一,光学在AR智能眼镜的开发中扮演着举足轻重的角色,其优劣直接影响着产品的物理尺寸、外观设计、佩戴的舒适度以及定位与适用场景等多个方面,其重要性不言而喻。实际上,光学技术相当于智能手机屏幕的延伸,在早期AR产品领域,如同3G时代的手机屏幕一般,它们往往在亮度、视角范围及整体重量上存在显著不足,同时电池续航能力也面临着挑战。

不同光学技术主导下的AR眼镜产品,展现出了明显的性能差异,并未形成统一的产品规范和标准。在这种情况下,内容生态的构建更像是建立于空中楼阁之上,缺乏稳固的基础支撑。然而,对于那些以创新光学技术为核心的研发团队而言,这恰恰是他们能够脱颖而出、吸引风险投资机构关注的领域之一,同时也是本文论述的重点所在。

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在探讨当前市场上的增强现实眼镜方案时,无论是面向工业的专业应用还是面向消费市场的普及型产品,其核心硬件差异主要体现在三个关键领域:微显光引擎模组、光学显示模组以及感知与计算模组的组合。这些组件在成本控制、量产可行性及良率方面展示了各自独特的价值。

聚焦于光学显示模组部分,不同品牌间的AR眼镜采用的技术路径呈现出多样化特点,但核心解决方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜以及波导等几种。其中,自由曲面与birdbath方案因其在技术演进中的局限性,已显现出被市场淘汰的趋势。

自2022年起,birdbath式伪AR眼镜的竞争格局开始趋向平缓,除了Nreal和雷鸟两大品牌凭借自主研发的光引擎模块及构建了自家光引擎组件工厂之外,其余企业大多依赖于现成的光机模组。相比之下,波导方案在清晰度、可视范围与体积控制上展现出显著优势,尤其是其能将镜片减小至2毫米以下的技术特性,在AR眼镜的设计中实现了更为接近普通眼镜外观的目标。这一特质不仅极大地减少了视觉遮挡,还大幅提升了设备全天候佩戴的便利性,使其成为光学透视类AR可穿戴设备的理想选择。

总体而言,波导方案凭借其在技术和用户体验上的多重优势,正逐渐成为推动AR眼镜市场向前发展的关键驱动力。

采用波导技术构造的增强现实眼镜主要由三部分构成:显像组件、波导系统以及耦合器,其光学原理大致分为两类:几何波导方案与衍射波导方案。

前者依托于几何光学中的全反射原理,借助精密的冷加工工艺实现成像效果,提供更高的图像质量。后者则从物理学的角度出发,利用微纳结构的特定光栅进行光传播,该领域内的光栅设计灵活性高,便于实现瞳孔扩展等特需功能。

偏振阵列波导技术在诸多性能上优于衍射波导方案:不仅拥有更佳的光学效率、更广阔的视场、更为宽广的眼动范围以及色彩的一致性,同时支持多路光线传输及集成操作。其生产易于实现且耦合效率及传导效率相对较高,通过调整波导参数可获得不同的光学性能。

然而,偏振阵列波导在技术层面具有一定的挑战性:其分光膜阵列的镀制工艺需臻于完善,对分光表面平整度和精确度的要求严格,结构布局密度较大,这导致了较高的制造成本。为了应对这些挑战,2022年底,谷东科技推出了采用5G一体式阵列光波导技术的新款AR眼镜。

在业界普遍采取单色Micro LED与衍射光波导方案的背景下,谷东科技则独具创新地结合了光效更高的阵列光波导和体全息光波导两种前沿技术优势,以此成就了拥有全彩显示能力与高穿透性能的工业级AR眼镜。此举充分体现了其在技术创新与应用上的前瞻性和行业引领力。

在国内,众多初创型AR硬件制造商多倾向于依托本土成熟且全面的制造生态链,精心打造自有品牌产品。尽管在技术积累与资源调配方面尚无法与国际巨头如微软和Magic Leap相匹敌,但他们通过巧妙地整合现有优势,在市场中崭露头角。

当前,这些AR整机厂商的竞争格局主要是由其产品实现能力及面向企业和政府市场的拓展策略所决定的。谷东公司秉持自主创新发展理念,通过精准的模拟与计算技术,获得符合特定应用场景需求的光束参数,从而在竞争中脱颖而出,展现出独特的核心竞争力。

此举不仅体现了对先进技术不懈追求的精神,也为行业树立了自主研发与创新的典范。未来,通过持续优化产品功能、提升市场适应性和强化企业间合作,国内AR整机厂商有望在全球舞台上展现更多亮眼表现。

在近期发布的一系列增强现实新品中,我们不难发现几何光波导和衍射光波导作为关键光学技术的选择,背后体现了不同厂商在技术研发策略、成本效益平衡、创新难度以及专利保护等方面的细致考量。这些决策主要围绕几个核心维度展开:一是量产成本的经济性;二是技术壁垒的高度与形成速度;三是研究过程中的复杂程度及所面临的专利障碍;四是技术实现与大规模生产之间的成熟度差异;最后,是硬件佩戴的舒适性和图像呈现的质量。

通过对比国内领先增强现实厂商的光学方案及其在规模化生产阶段的表现,我们可以更直观地理解不同技术路径的优势和局限。这一深度剖析不仅为行业提供了宝贵的参考,同时也推动了技术的进一步优化与创新。

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在技术层面,谷东科技率先实现了自主创新,拥有一项具有七层折叠与十二面体结构特色的波导光机专利,这使得基于OLED的阵列光波导产品在同级竞品中脱颖而出,其显示亮度显著提升4至5倍,远超行业标准。

该技术的实现并非一蹴而就,而是通过全链条的技术把控达成。从设计到研发,再到精密工艺与大规模生产,谷东科技深入每一个环节,牢牢掌握着核心关键技术,构建起难以逾越的技术壁垒。

在过去的五年中,谷东科技已成功申请并获得核心技术专利一百二十余项,其所采纳的光波导增强现实显示技术,在工艺与规模化生产方面已经超越了国际标准。在核心性能指标上,谷东科技的光波导技术以轻薄、高透光性及全彩显示为基点,并进一步扩展了Eyebox范围;其高透过率为81.6%,出瞳距离35mm,最低功耗220毫瓦可实现450nit亮度,同时具备卓越的对比度与在宽温域下的稳定性,以及广角视场。得益于其在低成本、高迭代效率与大出瞳尺寸上的持续优化,谷东科技始终保持显示效果的行业领先地位。

为了确保产品从研发到量产的质量与效率,谷东科技自始至终注重工艺细化及供应链体系构建。通过长期的实验与严格的标准设定,成功实现了基于阵列光波导技术的多个AR光学模组的批量生产,并在生产良率和成本控制上领先同行,年产能达到八万至十万片。同时,谷东科技亦积极布局,已进入体全息波导的小批量试产阶段,以满足特定客户的需求。

谷东科技矢志不渝地致力于自主研发阵列光波导和体全息光学产品,以开创性的无光机光波导显示与混合高效率大视场显示技术填补了行业的技术空白,引领前沿发展。

通过精心设计的光路架构、优化算法以及独到的材料工艺创新,谷东科技成功攻克了同行产品中普遍存在的诸如杂像、条纹现象、鬼影显现及畸变、色散等难题。其卓越的技术特点如高效率、高透光率和长出瞳距离,确保了产品的全面适应性和广泛适用性,精准满足各类应用场景的复杂需求。

在谷东科技的精心打磨之下,这些光学产品不仅展现了前沿的技术创新,更体现了对用户实际使用体验的深刻洞察与极致追求。

M3043采用顶层设计策略,其水平视角全无死角,以消除潜在的安全风险;此产品标配LCOS作为图像源,可实现高达1920*1080的分辨率,提供近乎媲美人眼极限分辨能力的光学解析力,确保画面清晰细腻、图像反差鲜明,且不存颗粒痕迹。通过利用晶体材料的各向异性特征,M3043实现了光线在光波导内沿多路径折叠传播的技术创新,由此将投影光源体积缩减了85%,大大提升了空间利用率与便携性。

该光学系统视场角高达43度,出瞳距离为22mm,并具备1000:1的高对比度特性;且拥有出色的亮度表现,入眼亮度可达1500nit,确保在户外环境下适用于安防、应急、电力及能源等行业应用。针对常见问题,如杂像、条纹感、鬼影、畸变和色散等,M3043通过精心选择材料与工艺技术有效解决,特别优化了波导镜片设计并采用专业定制生产,其透光率超过85%,镜片厚度仅2毫米,已实现稳定量产。

在最优材料选型、加工工艺及全自动一体化膜系设计的支持下,M3043确保了材料与工艺的一致性,实现了业界领先的良品率。此产品集光波导模组的极薄、轻便和高色彩还原度等优点于一身,并将性能发挥至极致。

为了确保产品质量,谷东科技公司对产品的环境测试标准严苛无比——即使在极端高温、低温、高湿度或盐雾持续侵袭下,M3043光学模组均能保持稳定可靠的工作状态。

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谷东科技自主研发了一款创新性的光学模组——M3043,其核心亮点在于采用了先进的偏振阵列波导技术。这项技术创新不仅为信息传递领域带来了革命性突破,还显著提升了系统的整体性能和效率。M3043的精妙设计和卓越功能使其成为光电子技术领域的杰出代表,引领着行业的发展前沿。

M2026乃侧置式构造模块,尤适于眼镜设计。此模块搭载了高亮度、高对比度、低耗能的0.23英寸有机发光二极管作为显示屏幕,实现无感视觉体验,并确保了长寿命特性。其视角范围精确至26度;出瞳距离精确为22毫米;光学失真控制在2%以内。模块设计注重空间效率与轻量化,净重约12克,便于携带与应用。

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谷东科技所推出的创新产品——光学模组M2026,其核心技术在于采用先进且精密的偏振阵列波导技术。这一技术使M2026在光传输效率、视觉体验和系统集成度方面实现了卓越性能,成为现代光学技术领域的佼佼者。该模组不仅展示了谷东科技在光学解决方案上的深厚积累与创新能力,更预示着未来光学应用的无限可能与发展趋势。

M2026E型号的视角测量为精确的二十六度,其光学组件与显示屏之间的距离仅为十八毫米。相较于其前身M2026,M2026E在物理规格上实现了显著优化:不仅拥有更为紧凑的光机尺寸,而且还减轻了整体重量至约九克之轻,从而极大地提升了佩戴时的舒适性和用户体验感。

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谷东科技所推出的创新产品——偏振阵列波导技术的光学模组M2026E,致力于引领行业前沿,以其卓越性能与先进特性开辟了新的技术领域。这款光学模组汇聚了尖端科技,为用户带来了前所未有的体验和可能性。

M3046H-S/F光学模组,精心设计以体全息光栅波导技术为基础,其视场范围达到46度,并具备显著高于300nit的亮度指标。此模组的核心组件,即波导传输装置中的耦入/耦出光栅,由两片成镜像对称布局的彩色体全息光栅构成。这些光栅采用先进的角度/波长复用技术制作,其中反射型体全息光栅以其极窄的衍射带宽特性著称,有效解决了颜色串扰的问题,确保了视觉体验的一致性和清晰度。

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在制作全息光栅时,通过运用全息材料进行曝光技术,将RGB三原色融合至一片衍射波导之上,借助相干记录及衍射复现原理,确保图像的清晰呈现和人眼可感知信息的传输。

构建精密光学路径架构,并开发自控软件系统,精确调控感光物质在曝光前后的收缩比例,以保障全息光栅的有效衍射效能与出射光线均匀亮度。此光学组件采用一体式设计,整合成单片集成的彩色体全息光栅波导,实现单一波导单元内完成全色彩传输,从而显著减薄波导镜片厚度和降低整体重量,并避免了三片或双片波导组件在后期需进行校准的问题。同时,此举亦有效地降低了生产成本。

作为专业领域的探索者与实践者,谷东科技在全息技术领域深耕多年,致力于实现创新突破与应用拓展。其核心成果包括精心制备的体全息光栅波导样片,这些产品拥有高衍射效率、卓越透过率以及低色散特性,能够实现在单一组件内完成全彩信号的传输。这一成就不仅彰显了谷东科技在理论研究与工艺技术上的深厚积累,同时也体现了其对集成光学解决方案的独到理解。

体全息光栅作为核心元件之一,凭借其独特的光学属性——即全反射特性和衍射特性相结合,能够实现宽广视场和大出瞳图像输出。这一特性使得体全息光栅波导方案成为新一代头盔显示系统中的优选技术,相较于传统的阵列光波导技术,它在视觉体验、设计灵活性以及整体效能方面均展现出显著优势。

此外,谷东科技对体全息光栅的应用进行了深入探索与优化,不仅使其具备高度集成的功能性,如将显示模组中的准直镜功能整合至耦合器之中,实现耦合与准直的双重作用,更是在制造工艺上实现了从设计到实现的一体化流程。通过建立千级洁净室、搭建气动制作平台等基础设施,谷东科技不仅确保了制程的高精度和高效性,同时也为后续的研发与应用提供了坚实的基础。

总体而言,谷东科技在全息光栅波导领域的探索与实践,不仅推动了技术本身的发展与创新,也为相关行业领域带来了更多可能性和应用场景。

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