機械-華泰機械：AR光學部件產業(yè)鏈有哪些關注點,(微信)

華泰|機械：AR光學部件產業(yè)鏈有哪些關注點？倪正洋華泰睿思2024-04-1207:15江蘇學方案中，光波導為當前主流，表面浮雕光柵衍射光波導依靠微納轉移的應用及光學透鏡合成設計實現全彩顯示的商業(yè)化進展。核心觀點AR與VR/MR本質區(qū)別在于透視方案不同，AR采取光學透視（OSTVR透視方案則為視頻透視（VSTOST在亮度、分過VR。且相比VR而言，A有望憑借價格優(yōu)勢+內容及體感提升+巨頭不斷入局推動成為頭顯設備終局。學方案主要包括棱鏡方案、Birdbath、自由曲面、全息投影、光波導可實現二維擴瞳，表面浮雕光柵衍射光波導依靠微納制造，我們續(xù)關注納米壓印設備在對準精度，效率等方面的提升。AR顯示方案中MicroLED適配光波導，關注巨量轉移/全彩顯示工藝進展波導搭配，但體積和功耗較大；MicroOLED體積小功耗低，但其亮度較低，常與光學方案中的Birdbath、自由曲面方案搭配，無法與光波導方案適配。MicroLED具有低功耗、亮度高等優(yōu)勢適配光波導方案，有望成為AR眼鏡微顯示器件最優(yōu)選擇。MicroLED當前需克服巨量轉移和全彩顯示兩大難題，后續(xù)關注激光轉移技術彩化技術領先。印設備；MicroLED及巨量轉移技術。對應公司名單請見研報原文。正文AR使用OST疊加虛擬與現實，有望成為頭顯終局過計算機仿真系統(tǒng)將用戶帶入生成的虛擬世界中，為用戶提供多信等數據疊加在現實世界上，實現虛擬與現實的結合，對用戶的切實為代表的專用設備已在醫(yī)療、重工業(yè)和物流等行業(yè)發(fā)揮重要價值，后續(xù)有望進入更多消費場景。AR與VR/MR本質區(qū)別在于透視方案不同，AR采取光學透視面，與計算機生成的虛擬畫面結合后呈現在不透明的顯示器上。相看見外部世界，其在亮度、分辨率、延遲、焦場等方面更具有優(yōu)勢，的光路設計復雜、量產難度高、光學零部件造價較高等原因。創(chuàng)公司GarySharpInnovations以為AR和VR開發(fā)更好的視覺功能眼鏡NrealX與主打輕巧時尚的NrealAir。2022年3月，為雙目式、單目式、插入式、隱形眼鏡式、靜態(tài)全息顯示器和車載雷鳥創(chuàng)新表現突出，雷鳥X2搭載MicroLED+衍射光波導全彩雙導航與擬真陪伴的功能，并首發(fā)合作微信小程序生態(tài)。仍較低。中國市場方面，根據IDC數據，2023年中國VR/AR出售價高但銷量低，但隨著技術運用逐漸成熟，價格相對較低的消費市場。3）科技巨頭不斷布局，根據蘋果專利，蘋果設計了大量貼頭入局有望快速提升由光波導技術、輕量光機引擎技術、以及微顯AR核心為光學方案+微顯示屏，光波導+MicroLED有望為主流Birdbath、自由曲面，全息投影，光波導方案；微顯示屏主流包括LCD、LCOS、DLP、MicroOLED，MicroLED等。目前光波導良率等仍有待進步。心工藝通過一系列光學成像元件形成遠處的虛像并投射到人眼中。不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統(tǒng)不能擋在視線前方，需要多加一個或一組光學組合器(opticalcombiner)，通過“層疊”的形式，將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補充“增強”。光學方方案、Birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和光波導方案。衡量方案優(yōu)劣的指標主要包括產品厚度與重量、透光率、的大小決定了光學儀器的視野范圍。棱鏡方案作為初始嘗試技術成熟且成本低廉，但視場角、圖像呈現效果、重量等無法達到要求。棱鏡方案的光學顯示系統(tǒng)主要由微型投影儀和反射棱鏡組成，微型投影儀負責將圖像投影出來，通過棱鏡將圖像直接反映到人眼的視網膜中，與現實畫面疊加后即可形成虛實結合的效果。雖然該方案技術成熟且量產成本低，但是為了保證顯示內容足夠清晰，該方案通常采用包裹式，導致產品較厚，視場角小。棱鏡方案以最早的GoogleGlass為代表，由于系統(tǒng)處于人眼右上方，人必須將眼睛聚焦在右上方才可看到圖像信息，且該系統(tǒng)存在視場角和體積之間的天然矛盾。GoogleGlass的視場角只題被公司撤回。Birdbath方案原理為將來自顯示源的光線投射至45度的分光鏡看到現實世界的物理對象以及由顯示器生成的數字影像。從分光鏡反射回來的光線會彈射到通常為凹面鏡的合成器上，由此重新導向眼睛。Birdbath方案的優(yōu)勢為結構簡單、視場角較大、光效好，且量產技術已經成熟，但是卻比普通眼鏡更加厚重，透過率低，也出RokidAir產品時被采用，眼鏡重量僅83克，視場角達43度，相比于棱鏡方案有明顯改善。自由曲面方案成像質量高，產品高度和重量需要優(yōu)化。自由曲面是一種有別于球面或者非球面的復雜非常規(guī)面形，即用來描述鏡頭表面面形的數學表達式相對比較復雜，往往不具有旋轉對稱性。該方案原理為光線由顯示器發(fā)出直接射至合成器（即凹面鏡）內，并且反射回用戶眼內。顯示源的理想位置居中并與鏡面平行。采用自由具優(yōu)勢，但是依然面臨產品厚重、圖像畸變的問題。在國內，自由曲面方案已經得到廣泛應用，其代表公司為耐德佳。耐德佳在其消費級AR眼鏡ARknovvA1中推出并采用了自光學解決方案，在壓縮光機體積的同時擴大了鏡片的面積，使得用率，使用該方案的AR眼鏡相比采用Birdbath的產品來說功耗更低。全息透鏡方案降低加工難度，但成像效果不理想。全息透鏡方案利直透鏡將顯示源射出的光束準直為平面波，并衍射進基底以進行全內反射傳輸，同時線光柵將光束衍射輸出進入人眼。這種方式降低范圍小，而且有復雜的相差與嚴重的色散，全息透鏡的成像效果并不理想。North曾推出了一款AR眼鏡產品NorthFocals，外形除鏡腿比普通眼鏡粗以外，其他部位與普通眼鏡十分相近。從產品功能來看，NorthFocals提供了一塊像素為300*300的15度可視光機內的微型顯示器發(fā)出的光線通過透鏡組被耦合器件耦入光波導鏡片中，在波導內以全反射的形式向前傳播，到達出耦合器件時被耦合出光波導后進入人眼成像。由于使用波導折疊了光路，使得產品整體體積較小，符合輕量化的發(fā)展趨勢，加上光波導方案相比其他光學方案在成像清晰度、可視角度等方面均具有優(yōu)勢，光波導可分為幾何波導方案和衍射光波導方案兩種。近年主流的日常消費導這兩種光學方案。幾何波導方案包括鋸齒結構波導和偏振陣列光波導，仍使用傳統(tǒng)光提出并一直致力于優(yōu)化迭代，其基本原理為耦入區(qū)域用于將微投影光機的光束耦入到波導片中，使得光束滿足在波導片中全反射傳播 反射耦出到人眼。傳統(tǒng)光學成像系統(tǒng)中，圖像通常只有一個“出口”，鏡面陣列相當于將出瞳沿水平方向復制了多份，每一個出瞳都輸出相同的圖像，這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像。幾何光波導圖像質量可達到較高水準，但制作工藝流程繁雜良率較低。幾何光波導運用傳統(tǒng)幾何光學設計理念和制造流程，并未涉及準，但制造工藝流程比較繁冗。主要體現在“半透半反”鏡面陣列的鍍膜工藝。由于光在傳播過程中逐漸損耗，陣列中多個鏡面都需并且由于幾何波導傳播的光通常是偏振的，導致每個鏡面的鍍膜層數可能達到幾十層。另外，這些鏡面在鍍膜后需層疊在一起并用特殊的膠水粘合，然后按照一個角度切割出波導的形狀，過程中鏡面之間的平行度和切割的角度都會影響到成像質量。因此，即使每一步工藝良率尚可，數十步結合起來的總良率仍不理想。常見瑕疵包括背景黑色條紋、出光亮度不均勻、鬼影等。衍射光波導通過光柵調整，可以實現二維擴瞳。衍射光波導設計不依賴于幾何光學，而利用光的衍射效應，主要采用光柵結構實現對效率優(yōu)化到最高，從而使大部分光在衍射后主要沿這一方向傳播，起到與傳統(tǒng)光學器件類似的改變光線傳播方向的作用，但其所有的操作都在平面上通過微納米結構實現的，節(jié)省空間且自由度較傳統(tǒng)光學器件大。衍射光柵是一個具有周期結構的光學元件，該周期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷，也可以是全息技術在材料內部曝光形成的“明暗干涉條紋”，本質是在材料中引起折射率的周期性變化，因此衍射光波導方案主要可以分為表面浮雕光柵波導方案和體全息光柵波導方案。雖然光柵結構的設計過程較為復雜，但提供了較大的設計自由度，通過計算優(yōu)化光柵結構參數后的衍射光表面浮柵光波導為當前最主流方案。浮雕光柵波導方案使用浮雕光入、耦出和出瞳擴展器件。表面浮雕光柵指的是在表面產生的周期性變化結構，即在表面形成的各種具有周期性的凹槽。根據凹槽的輪廓、形狀和傾角等結構參數的不同，常用的表面浮雕光柵可以分為一維光柵與二維光柵。一維光柵根據剖面形狀劃分為矩形光柵、梯形光柵、閃耀光柵和傾斜光柵等，二維光柵常用的結構有六邊形分布的柱狀光柵。浮雕光柵波導方案具有大視場和大眼動范圍的優(yōu)勢，但是也會帶來視場均勻性和色彩均勻性的挑戰(zhàn)。表面浮雕光柵二代、MagicLeapOne、RokidVisionAR眼鏡等多家明星產品證明了衍射光波導的可量產性。體全息光柵波導方案采用體全息光柵作為波導的耦入和耦出器件，通過雙光束全息曝光技術在介質中形成干涉條紋，從而可以獲得折射率周期性變化的光柵結構。體全息光柵是一種具有周期結構的光學元件，它一般通過雙光束全息曝光的方式，直接在微米級厚度感光聚合物薄膜內干涉引起了其折射率周期性變化，從而形成納米級的光柵結構，可以對入射光發(fā)生衍射作用，在色彩均勻性（無彩虹干涉曝光。通過使用激光激發(fā)的干涉圖案附著在基底上的光敏折射材料，材料特性隨著光強度分布的不同而變化，最后獲得折射率周光效率、清晰度等方面都還未達到與表面浮雕光柵同等的水平。納米壓印決定波導性能浮雕光柵衍射光波導的研制流程主要分為三大環(huán)節(jié)：光柵設計、光柵母版加工、納米壓印生產。浮雕光柵衍射光波導制備通過傳統(tǒng)半導體的微納米加工工藝，在硅基底上通過電子束曝光和離子刻蝕制成光柵的壓印模具，再利用模具通過納米壓印技術壓印出成千上萬先需要設計出餅干上的圖樣（光柵設計然后要根據設計精準制作出餅干模具（光柵母版加工最后使用模具批量“壓制”出餅干（納米壓印生產）。在真正的衍射光波導的生產中，“模具”和“壓制”必須具有極復雜的結構和極高的精度。制造衍射光波導所需要精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器價格較高，并且需要放置在專業(yè)的超凈間中，生產條件較為苛刻。光柵母版加工包括勻膠，光刻，刻蝕，清洗為四大工藝。光柵母版加工使用光刻的方法，先將基板清洗烘干，然后再將光刻膠均勻涂布到基板上去。在基板上涂一層光刻膠之后，通常會再借助有圖案結構的掩模板去進行曝光，然后再將基板泡到顯影液中，溶解被光照到的地方，在光刻膠上做出想要的結構。光刻之后再進行刻蝕，將光刻膠的結構轉移到堅硬的基板上，將其作為母版去壓印，提升母版壽命。最后清洗完成母版制作。制作難點：1）光柵周期均勻性：目前行業(yè)普遍采用的是電子束光刻，每根周期性線條需用電子束寫，線條與線條之間的距離會出現偏差。因此較難確保光柵周期均勻性；2）加工制作精度：光柵周期均勻性的誤差是指宏觀上的兩根線條之間的距離存在偏差，而加工制作精度的誤差則是指這根線條本身的寬度或高度上的誤差；3）傾斜結構的加工：通常光柵都是直上直下的垂直結構，但隨著技術發(fā)展，這種結構的光柵已經漸漸無法滿足性能需求。于是出現了像三角形、平行四邊形這樣的傾斜結構光柵。垂直結構的光柵制作相對容易，而想要制作傾斜結構的光柵則極具挑戰(zhàn)性。4）表面粗糙度：光柵母版表面粗糙度越大，其破損幾率就越大，母版的使用壽命也就越短。首先需要準備玻璃晶圓并進行清洗，其次采用旋涂工藝將納米壓印膠均勻涂布在晶圓表面，然后通過納米壓印工藝將模具上的光柵結構轉移到晶圓上的壓印膠里。之后需要將大的晶圓切割成一片一片成一體，最后對鏡片的外輪廓進行封邊，完成衍射光波導的生產。納米壓印是納米壓印生產整體流程中最為核心，也是難度最高的環(huán)直接用做生產。因此，必須將光柵母版的結構一比一轉印到不易損要先制作出光柵母版，然后對母版進行清洗和表面抗粘處理。最后，使用柔性基材進行軟膜壓印、固化、脫膜。通過以上操作，便可復制出多個子版。經過晶圓清洗、旋涂勻膠、納米壓印、固化、脫模等流程，便可將子版上的結構轉印到晶圓上面，完成批量生產。印機核心廠商包括EVGroup、SUSSMicroTec、Canon等，前三造領域，國外NIL設備企業(yè)如奧地MicroTec、丹麥NILTechnology(NILT)占據主要份額，國內企AR顯示方案中MicroLED適配光波導工藝難點目前主流的AR顯示方案主要包括LCD、LCOS、DLP、MicroOLED、MicroLED方案，顯示屏追求輕量小體積、高亮度、題。MicroOLED體積小功耗低，但由于亮度低常與光學方案中的Birdbath、自由曲面方案搭配，無法與光波導方案適配。MicroLED顯示器件的最優(yōu)選擇。為LiquidCrystalDisplay，目前市場中大多使用薄膜電晶體液晶玻璃基板是彩色濾光片，下層玻璃則鑲嵌著電晶體。當電流通過電晶體時會產生電場變化，使得液晶分子原本的旋轉排列發(fā)生扭轉，上，進而產生不同的顏色。該技術已經較為成熟，且具有色域廣、度較厚，功耗較高，且具有光利用率和對比度低的短板。比高，但其需要照明單元導致模組體積大、存在背光、功耗高、低MagicLeap1AR眼鏡包含6個LCoS顯示屏，微軟的HoloLens1DLP全稱DigitalLightProcession，是美國德州儀器公司以數字的反射表面。每個微鏡片代表一個單獨的像素。來自光源的光線被路徑上來開啟該像素或使光線離開鏡頭路徑來關閉該像素。為了定有優(yōu)良的商品化條件，其在分辨率、對比度、亮度、灰階、色保真度及響應時間等主要性能參數上都達到較高水平，但是具有設計復足光波導需求，但其主要問題在于體積，功耗方面沒有優(yōu)勢，無法MicroOLED全稱為有機發(fā)光二極管，與常規(guī)LCD和OLED屏采用的玻璃基板的區(qū)別在于，MicroOLED的基與功耗等方便的表現。MicroOLED的優(yōu)點延展性好，但其量產難度較高、成本高、亮度低、有機材料的使用壽命較短（數千小時）、燒屏現象。以VisionPro為代表的VR設備帶動硅基OLED發(fā)展，關注索尼/京東方/視涯科技等廠商擴產及降本情況。蘋果VisionPro內屏搭載兩塊索尼獨家供應的1.42英寸MicroOLED顯示屏。據蘋果官方的數據，VisionPro搭載的Micro-OLED顯示屏擁有2300萬像產業(yè)快速發(fā)展，目前能夠量產全彩MicroOLED且在XR硬件領域較活躍的有索尼、京東方和視涯等廠商。MicroOLED當前生產良率仍較低造成售價較高，后續(xù)降本節(jié)奏將決定其應用普及率。目前AR眼鏡中使用了MicroOLED顯示技術的有INMOAir2、雷鳥Air2、RokidMax、XrealAir2等，VR頭顯設備中除AppleVisionMicroOLED亮度較低，因此更適配于Birdbath方案，無法大規(guī)組對眼前看到的畫面產生影響，如果外界的光線過亮，使用者眼前基于MicroOLED和光波導顯示的畫面入眼亮度沒有當前環(huán)境的現的色彩非常暗淡，甚至無法顯示畫面。而對于鍍膜并加遮光片的墨鏡形態(tài)的Birdbath娛樂觀影眼鏡來說，往往在室內暗光環(huán)境下的使用場景。根據北京極客伙伴科技有限公司官方公眾號數據，衍射表面浮雕光二維擴瞳陣列光波導光能利用率一般在5%左右。MicroOLED亮限于在室內使用。高性能MicroLED符合AR發(fā)展趨勢，全彩顯示/巨量轉移工藝為關鍵高清顯示效果。MicroLED全稱MicroLightEmittingDiode，達到主流LED的1%。MicroLED的每個像素由紅色、綠色和藍色的子像素組成，每個像素單獨控制，從而能夠精確控制顯示的亮度、形成一個像素。隨后，光線被引導通過一組濾色器來創(chuàng)造所需顏色。MicroLED陣列經由垂直交錯的正負柵狀電極連結每一顆MicroLED以顯示影像。MicroLED因為其高亮度高清晰度適配于衍射光波優(yōu)勢。MicroLED亮度較高適配于MicroLED藍光100萬尼特，綠光500萬尼特，紅光100萬尼特時還可以精確控制顯示亮度、顏色和對比度，具有較高的畫面性能；MicroLED克服量產困難，AR設備中使用率有望持續(xù)提升。中國企業(yè)在MicroLED布局不落下風。根據全球咨詢機構ResearchandMarkets報告《GlobalMicro-LEDDisplayMarket-Outlook&Forecast2023-2028》（2024）,2022年全球以上，其中京東方、華興、天馬等頭部面板廠商均積極布局。動背板上，使其與驅動集成電路系統(tǒng)之間形成良好的機械固定和電對這一過程要求極高，存在剝離、拾取、轉移、鍵合幾個關鍵步驟。目前面臨兩個技術難點：1）轉移精度方面，巨量轉移技術轉移的且像素密度較高，需要新技術來滿足轉移數量巨大的要求。擺臂式轉移技術、針刺式轉移技術、靜電力轉移技術）、自組裝技術（流體自組裝技術、磁力自組裝）、滾軸轉印技術和激光剝離技為吸附力實現介面調控，通過調控轉移頭的作用力，將芯片轉移至目標基板上，但受轉移頭陣列限制，轉移效率和精準度相對較低。無需單獨拾取或釋放芯片，大大提高了芯片的轉移效率，但組裝過程中芯片易損毀，良率無法保證。精密自動化裝置完成芯片與目標基板的對準和壓印，提高了芯片的轉移精度，但其自動化裝置精密工藝難度大，且不能選擇性轉移芯并利用響應層產生的化學或光熱反應，將芯片剝離至目標基板上，具有高精度選擇性釋放芯片的能力。通過將單束激光衍射成多束激芯片巨量轉移的主流方案。多家公司布局激光巨量轉移技術光巨量轉移技術，2022年9月，其首批MicroLED巨量轉移設備其Mini/MicroLED激光巨量轉移設備可實現50μm內芯片應用需12月邁為股份自主研發(fā)、設計、制MicroLED量產加速。MicroLED實現單色較簡單但實現全彩相對復雜，當合成法商業(yè)化最快，但其設近眼顯示領域尚無法實現全彩的高亮顯示。全彩方案的工藝難度相顯示屏的子畫面合成，然后利用驅動面板進行圖片信號的傳輸，進實現飽和度較高的色彩顯示，但設計難度較高。如今研究熱點為量子點技術。3）三色RGB法：2016年Peng采用CoB構，藍光和綠光LED使用GaN材料結構且為水平結構。通過CoB后續(xù)需關注光學透鏡合成法商業(yè)化應用，當前雷鳥創(chuàng)新通過棱鏡合RGB發(fā)光材料不同，驅動電流不同，MicroLED的紅光效率低，導致難以實現單片全彩，現階段采用三色合光方案比較合理。受限注光學透鏡合成法的商業(yè)化應用，其可解決全彩顯示成本高，設計觀點總結術決定波導性能，制造衍射光波導所需要精度和速度都可靠的電子束曝光和納米壓印的儀器價格較高，所需精度較高，生產條件較為苛刻。后續(xù)關注納米壓印設備精度及效率提升。2、顯示方案中，Micro波導方案，有望成為AR眼鏡微顯示器的最優(yōu)選擇。前需克服巨量轉移和全彩顯示兩大難題。激光巨量轉移技術響應速度快且選擇性高，多家公司布局激光巨量轉移技術，出貨激光巨量轉移設備，助力Micro