不同AR光学方案对比分析

龙头积极布局，看好光波导技术落地。

AR 光学方案：自由曲面与 BirdBath 普及度高，光波导将是新一代光学方 案。棱镜方案：技术简单且重量轻，但其视场角通常小于 20°，并且亮度不 足，出瞳范围小。2012 年谷歌推出的 Google Glass 采用棱镜方案，视场角仅 13°，并且画面易产生畸变，消费者体验较差；离轴反射：技术难度低且视 场角较大，但其体积较大且重量较高。2016 年发布的 Meta 2 采用该方案， 重量达 503 g；自由曲面：技术成熟且光损较小，但模组仍然较厚；BirdBath： 目前成熟度较高的量产方案，在 C 端 AR 产品中普及度较高，但其厚度较大 且透光率较低；光波导：该方案清晰度高、可视角度较大且重量更轻，未来 有望成为 AR 眼镜光学方案主流。根据耦合器件可分为几何光波导和衍射光 波导，其中几何光波导以阵列光波导为主导，衍射光波导可细分为基于光刻 技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息干涉技术制造的体全息光栅波导。 几何光波导：采用传统几何光学设计理念，未涉及纳米级结构，成像效果较 表面浮雕光栅衍射光波导更优，漏光率低于 5%且光损较低，但需要完成多 片光学玻璃切割铣磨、胶合、抛光，量产难度大，生产良率低；衍射光波导： 光栅设计和生产灵活性更高，量产能力及良率较几何光波导更优。

自由曲面：技术成熟，高模组厚度限制轻量化能力。基于具备一定反射/投 射值的自由曲面反射镜，将显示屏投射的图像反射进入人眼，外部环境的景 象通过半透半反曲面镜进入人眼，实现虚拟信息与真实世界叠加。相位补偿 器用于矫正自由曲面棱镜引起的视图畸变。基于该技术的 Meta2 系列 AR 眼 镜可实现 90°视场角，但其厚度超过 50 mm。伴随自由曲面技术迭代，模组 厚度逐渐降低。基于最新耐德佳自由曲面钻石 Pro 方案的高通骁龙 XR2 AR 智能眼镜将模组厚度降低至 10.4 mm，透光率提升至 60%。2023 年发布的 小米无线 AR 眼镜探索版、联想晨星 G2 light、联想 Legion Glasses 均采用 自由全面方案。

BirdBath：短期消费级 AR 主流光学方案，性价比领先。显示屏将图像投射 至偏振分束器，然后投射至具备反射和投射值（R/T）的半透半反曲面镜， 光线以 R 的百分比反射至人眼，其余部分以 T 值传输。同时环境光经半透 半反曲面镜进入人眼中，使用户可同时看到显示屏输出的虚拟数字信息和 现实世界的真实信息。该方案视场角较大且重量轻，可较好地平衡成本与显 示效果，但光损较大且透过率低。目前 XREAL、雷鸟创新、Rokid 等国内 AR 龙头均推出多款使用 BirdBath 方案的 AR 眼镜，预计短期内 BridBath 仍 将是消费级 AR 主流光学方案。

几何阵列光波导：二维扩瞳实现高 FOV+小光机体积，量产技术仍待突破。 一维扩瞳：耦合光经多次全反射后进入半透半反镜面阵列，每次镜面反射均 会反射波导至人眼，出射光较为均匀且光束分批多次出射可实现扩瞳技术 并增大动眼眶范围。一维扩瞳阵列光波导可将 EyeBox 从 4mm 扩大到 10mm+，并且光线调制均匀，成像质量与对比度水平高，但其光机体积与 FOV 呈正相关，难以同时实现高 FOV 与轻量化；二维扩瞳：通过在 X、Y 轴方向对光线进行多次扩展，能同时实现垂直和水平双向出瞳扩展。该方案可有效增加出瞳距离和 eyebox 大小，并显著减少耦入部分投影光机的体积， 同时实现显示色彩的高还原、高饱和呈现。根据艾瑞咨询，阵列光波导制备 涉及镜面镀膜、贴合、切割等流程，阵列镜面膜层可达数十层，膜层贴合时 平行度要求极高，难以实现高良率。并且采用二维扩瞳将进一步提升量产难 度，理论量产成本较一维扩瞳高 4-5 倍。目前珑璟光电、理湃光晶等厂商积 极发展分子键合技术，通过分子间范德华力使镜片紧密平整地贴合，提升贴 合面平整度进而提高贴合良率。

几何阵列光波导：龙头厂商积极推动技术迭代，目前已应用至少量 AR 眼 镜。Lumus：2021 年首次推出采用二维阵列光波导技术的 Lumus Maximus 产品。在 CES 2023 中，推出第二代二维扩瞳光波导技术 Lumus Z-Lens，其 可实现分辨率 2Kx2K，亮度 3000 尼特/瓦、50°FOV 并支持体积更小的光学 引擎(约缩小 50%)。基于 Z-Lens 开发的 AR 眼镜外观与普通眼镜基本接近， 用户在白天强光下也可正常使用；水晶光电：2016 年参与 Lumus B 轮融资， 与 Lumus、肖特共同推动二维阵列光波导量产落地；珑璟光电：2021 年完 成二维扩瞳产品研发，成功将模组体积和重量缩小近 3 倍。2022 年多个二 维阵列光波导实现量产，对 FOV 40°、60°的光波导产品进行迭代优化。并 且实现分光斜面全光胶贴合；耐德佳：40°FOV 小型化光机可达到 1.3cc，二 维阵列光波导 3.0 实现全彩显示，色差和畸变控制较好，入眼亮度可达 1000nits 以上；理湃光晶：2022 年 9 月二维扩瞳阵列光波导实现量产，并建 成几何光波导模组生产基地，一期规划年产能达 10 万套。自主开发针对光 学玻璃的分子键合工艺；灵犀微光：首创基于阵列光波导的二维扩瞳技术 AR 光学模组，普遍透光度可以达到 82%以上，实现 60°视场角。并在江苏 无锡、浙江杭州建立生产制造中心，阵列光波导模组已突破 85%良率，具备 年产 10 万片量产产能。2023 年发布的 INMO Air 2、QIDI ONE 与谷东科技 C2000 已采用阵列光波导光学方案。伴随制备技术持续迭代，几何阵列光波 导有望突破量产瓶颈，带动市场渗透率提升。

表面浮雕衍射光波导：基于转折光栅与二维光栅实现二维扩瞳。表面浮雕衍 射光波导采用表面浮雕光栅（SRG）替代传统折反射光学元件，作为光波导 模组中的耦合器对光束进行调节。根据表面浮雕光栅凹槽的轮廓、形状等可 分为一维光栅与二维光栅。在一维转折光栅中，光线经入射光栅进入转折光 栅，在实现水平扩瞳同时将光束反射至出射光栅，并完成垂直扩瞳与耦出。 该技术主要由微软和 Vuzix 持有。与一维光栅相比，二维光栅可进一步提升 衍射效率并扩大出瞳范围。以 WaveOptics 设计的二维光栅为例，光束经入 射光栅进入波导片后，通过二维光栅进行多方向扩束以及光束耦出。

表面浮雕衍射光波导：紫外纳米压印光刻是主要量产工艺，未来持续优化。 该工艺主要包括纳米压印模具制备阶段和批量生产阶段。纳米压印模具制备 阶段：首先通过母版加工、旋涂转印胶、压印、紫外曝光等步骤完成模板制 备。然后将结构转移到相应的玻璃基底上，通过旋涂光刻胶、压印、曝光等 完成模具制备。批量生产阶段：使用多图案模具生产表面浮雕光栅波导，然 后使用功能性涂层覆盖波导，并用激光切割技术进行分离，最后将不同结构 的波导堆叠完成光学模组制备。未来将针对纳米压印过程进行优化：（1）残 胶控制：压印过程中通常会残留部分残胶，影响最终光学性能。2023 年 Digilens 发布 SRG+工艺实现无残胶层的 SRG 结构；（2）纳米压印设备：提 升对准精度与压印效率。

表面浮雕衍射光波导：多层光波导弱化彩虹效应，全彩单层光波导是未来发 展方向。衍射过程中对于角度和波长的选择性导致 FOV 和动眼框内的颜色 并不均匀，因此产生彩虹效应。目前主流方案是将红绿蓝三色分别耦合到三 层波导，每一层衍射光栅只针对一个颜色进行优化，进而改善出瞳位置的颜 色均匀性。单色显示的 SRG 单层波导方案由于技术与量产难度较低，目前 应用较多。全彩显示更多采用两层波导方案，基于单层波导的全彩显示仍是 未来光学厂商技术布局方向。

体全息光栅波导：理论衍射效率达 100%，成像质量高。其采用体全息光栅 作为衍射光波导中的耦入耦出元件。通过双光束全息曝光技术在介质中形成 干涉条纹，获得折射率周期性变化的光栅结构。根据《增强现实近眼显示设 备中光波导元件的研究进展》，在理论满足布拉格条件的情况下，体全息光 栅的衍射效率可以达到 100%。并且由于体全息本身的角度选择性和波长选择性，不存在漏光问题，可通过光机和光栅设计优化大幅减弱彩虹效应。

体全息光栅波导：工艺与材料要求高，国内厂商通过合作或自研积极布局。 索尼卷对卷工艺：首先通过双束干涉曝光法在附着于卷胶上的光敏聚合物膜 内形成体全息图案，然后通过注射成型法形成高质量的环烯烃聚合物塑料波 导，最后通过全息光学元件转移和塑料全息波导切割、配色、封装固定完成 制备。其对波导的翘曲和厚度变化要求严格；DigiLens 体全息光栅波导印刷 工艺：主要包括母版制作与波导印刷，以光聚合物和液晶为主要成分的超高 折射率全息光聚合物是该工艺核心。目前 Digilens 在体全息光栅波导领域占 据优势，并于 2023 年率先推出全息全彩 AR 眼镜 ARGO。Akonia 拥有丰富 的体全息系统和材料专利，其在 2018 年被苹果收购。水晶光电作为 Digilens 在国内的独家授权生产商，2024 年 5 月宣布完成波导产线升级。谷东科技 拥有单绿色/全彩二维扩瞳体全息波导产品，并自研高折树脂、光敏聚合物 等材料。