Birdbath和Pancake之后看什么——CES 2023上的大视角超薄AR光学方案

    在过去的2022年里，AR概念风生水起。

    小米、华为、OPPO等大厂们陆续发布了其AR眼镜，细红线、致敬未知、奇点临近等纷纷入局AR赛道，Nreal、Rokid、雷鸟、影目也纷纷热卖其最新的C端产品。

    目前面向消费级市场的AR光学方案无非是Birdbath和光波导两种。基于Birdbath的视场角较大，分辨率高，产品形态比较像墨镜，主要用于观影、游戏、办公，出现了明确落地的消费级场景；基于光波导的产品形态更轻薄，但是视场角较小，且成本很高，目前主要用作信息提醒类的概念产品。因此，Birdbath方案成为了目前真正面向出货的AR眼镜厂商的首选。易观分析发布的2022年三季度国内消费级AR眼镜（电商）市场份额报告指出，Birdbath方案的AR眼镜占据了87.5%的市场份额。然而，Birdbath方案的FoV普遍局限在50°左右，光学厚度介于15~20mm之间，距离消费者的理想形态还有一定的差距。

    另一方面，传统VR厂商也在向AR方向靠拢，美国巨头Meta刚刚推出了Meta Quest Pro，就主打了VR和AR相融合的混合现实体验，稍早一些，字节跳动旗下的Pico也推出了具有彩色透视AR体验的Pico 4。另据爆料，苹果即将推出的第一代MR设备也拥有AR、VR两个模式可以随意切换。这些AR/VR双模产品都有一个共同的特点，即采用了Pancake超薄VR光学实现纤薄的体积，同时采用摄像头拍摄并在屏幕上实时显示的方式实现视频透视Video See-Through（VST）形式的AR体验。而从本质上来说，Pancake+VST并不是真正的AR方案，只能说是一种过渡形态，业界仍然在期待真正的光学透过式Optical See-Through的方案能够达到VR所需的100度以上视场角，从而实现基于OST的AR/VR双模产品。

    基于上述情况，目前行业对下一代AR光学技术提出了一些明确的诉求：比如超过70°的视场角，最好能达到100°；更轻薄的眼镜形态，小于10毫米以内的光学厚度；成本必须严格控制在消费级，最好能做到终端出货2000元以内。

    在2023年1月最新CES上，我们看到一款全新的AR方案，给出了一些可能的答案。

混合波导AR光学

    先说参数：CES2023上展出的混合波导（Mixed Waveguide）AR光学分为A、B、C三种型号。其中A型视角为85°，厚度为9毫米；B型视角为56°，厚度为6毫米；C型视角为120°，厚度为10.5毫米。

    展会现场展示了三种型号的光学模组和整机参考设计。

除了视场角和光学厚度不同以外，三款产品采用了类似的光学架构，具有以下特点：

    画质——混合波导AR光学的光源部分采用mirco-OLED屏幕，全彩显示，分辨率为1920*1080，随着micro-OLED分辨率的提升可同步提升。通过极高的MTF，可显示高对比度、无杂光、色彩均衡、高亮度的图像。光效可达25%。

    透过A方案光学模组拍摄的AR画面

    外形——混合波导不需要光波导类似的光机，因而三款眼镜都呈现为接近墨镜形态的窄边框外形，并没有传统光波导和Birdbath方案的左右或上方粗犷的边框。

透视——透过镜片观看外界环境，画面清晰、无虚影、无畸变，透过率最高可达65%。

    重量——树脂双目镜片重量15g-20g，整机重量约60-80g。

    成本——采用业界成熟的注塑和镀膜、胶合工艺，适合消费级量产，成本接近Birdbath。

    而从用户最关心的视场角和厚度方面，我们发现，三款产品中，A和B方案明显是瞄准birdbath的软肋，而C方案则有可能让目前炙手可热的pancake+VST方案走下神坛。

    方案对比

Birdbath接棒者

    从参数对比图可以看出，混合波导的A和B两个方案，针对Birdbath目前存在的两大主要问题（小视角，大体积）提出了优化方向。A方案将厚度降低到一半，但是FoV增加近一倍；B方案维持相同FoV，但厚度降低到约三分之一。

    A方案光学模组

    B方案光学模组

    据了解，现有的大部分使用Birdbath的眼镜厂商，无非是因为衍射和几何波导太贵且FoV很小，无奈之下，出于必须要拿出产品的压力，只能持续使用Birdbath方案。混合波导此时出现，无疑是为很多厂商迭代下一代产品提供了明确的方向。

    “透明”的Pancake

    从C方案的定位来看，又有点像一个“透明的”Pancake。C方案（Crossfire）将模组厚度控制在10毫米左右，却实现了VR产品都很难达到的120°的视场角。相当于用一套OST光学方案，就取代了目前业内普遍推崇的pancake+VST来实现大视角AR体验。

    图左：混合波导C方案透过镜片实拍画面

    图右：混合波导C方案模组侧面厚度

    CES现场还展示了C方案搭配液晶光阀（LCLV）实现AR和VR模式切换的原型机，真正将“一键切换AR/VR”变成了现实。

如何实现？

    混合波导并不属于传统光波导技术，它采用了原创的全新AR光学构型。不同于以衍射波导为代表的波导构型和以Birdbath为代表的反射式构型，混合波导采用了业界首创的偏振折返式AR构型。

    据了解，混合波导技术是一种多层复合结构的光学系统，由很多层不同的材料和叠层组成，其中还包括不同类型的偏振滤光器。混合波导实现了基于偏振的折叠光路设计，光线在折叠中实现了焦距的的折叠和模组厚度的压缩。

    而不同于pancake的同轴折返式，混合波导采用的是基于波导全反射的倾斜光路折叠方式，因此可以在实现显示光线折叠的同时，不影响外界光线的透过，因此可以实现光学透视的AR显示效果。此外，混合波导还通过旁轴波导的线偏振的方式消除传统pancake方案比较难缠的圆偏振鬼影问题。

    由于消除了光机（light Engine），而将整个折叠光路（包含镜片）代替光机实现成像，因此该方案是没有传统波导的光机黑盒子的，可以实现产品形态窄边框的效果。同时由于整体模组经过折叠后很薄，成像元器件（Combiner）距离人眼很近，因此可以获得很大的FoV。

    Ant Reality Optics，认识全新的蚁视

    混合波导的发明者——蚁视，过去的英文名称是AntVR，现正式更名为Ant Reality Optics。

    作为VR行业的十年老兵，蚁视2018年开始转型专注大视角AR光学研发。

    2020年的CES，蚁视曾首次展示过混合波导AR光学原型机。

    此次在CES 2023，蚁视不但一次性拿出了三款成熟的的光学方案，还交出了一份令人侧目的商业化答卷。据悉，已有多家国内外客户签约采购了蚁视混合波导专利技术方案，并将应用于最新一代AR产品中。

    曾经的蚁视，推出过多款VR终端产品，并有着不错的出货业绩。未来我们将很难再看到蚁视品牌的终端产品，但Ant Reality Optics将有可能在幕后继续发光发热，出现在更多的AR产品的背后。

    混合波导AR光学方案合作，联系：zheng@ant-reality.com