一、Apple AR 來了
隨著辛丑牛年鐘聲的敲響，2020年正式告一段落。在過去的一年中，AR經歷了新一輪的技術和資本熱潮。在鮮花著錦地蓬勃發展中，最引人注目新聞應屬J
on Prosser
關於蘋果AR眼鏡的爆料。Jon Prosser作為Youtube 知名科技評論頻道Font Page Tech創始人，知名的蘋果爆料專家，他的觀點有較高的可信性。下圖是對他爆料的總結：
對於AR硬體產業界來說，目前還尚無引起社會廣泛關注的現象級產品。蘋果AR眼鏡如能按期落地，無論銷量如何，都能起到比Magic Leap和HoloLens 更深遠的AR產品普及作用。
仔細分析以上資訊，不得不說Prosser的闡述中有幾處自相矛盾之處。
首先，以蘋果慣常的毛利計算，499美元的售價使得這款眼鏡的BOM成本不可能超過250美元。這就嚴重限制了顯示部分的成本空間。同時他提到，眼鏡的材質為塑膠材質（最終材質可能發生改變）。目前唯有自由曲面方案或者BB方案才能滿足該材質要求。然而目前這兩種方案的外觀無法貼近正常的眼鏡形態，很難想象以蘋果的產品定義會做這樣的妥協。
在知名AR博主Karl Guttag第一版分析中，他曾設想蘋果會使用一種特殊的自由曲面方案來平衡產品的功耗，顯示，BOM成本和外觀形態。然而在他第一版分析兩個月之後，他推翻了自己先前的推論，他認為蘋果會採用其收購的體全息解決方案初創公司Akonia的技術路線。根據他的論述，歸根結底，目前除開波導方案以外的一切其他方案，都不能滿足蘋果內部和消費者對蘋果產品的ID要求。
據我的觀察和推斷，Prosser之前對AR產品的光學方案缺乏瞭解，他很有可能將鏡片的樹脂保護片誤認為波導本身的材質，從而非故意地誤導了大眾對該款產品的判斷。
從Prosser的其他闡述中，較為可信的資訊可以羅列如下：
資料流處理由iPhone來進行
外觀貼近日常眼鏡
無線充電
雙目顯示
手勢互動
無遮光片
有Lidar無Camera
另外一個他尚未明述但可以推得的資訊是，顯示一定是全綵顯示，同時正面沒有明顯的漏光現象。否則如此明顯的特徵，是Prosser一定不會在爆料中漏掉的。從以上資訊，不難窺探到國際大廠對消費級AR眼鏡的理解。
輕量
隱私
眼鏡外觀
長期佩戴
中等FOV （25-30°）
二、陣列波導會是真正成熟的消費級方案
根據以上資訊，我們可以做出一個相對堅實的結論。對消費級AR光學方案，能滿足以上要求的只有陣列波導和正在早期發展階段的體全息波導方案，而目前在投資圈相對火熱的衍射波導方案並不能達到消費級產品的最終需求。
以下我將分析為何陣列波導技術會在消費級產品領域戰勝衍射波導方案。
首先從顯示原理方面：
陣列波導採用半透半反鏡陣列作為出瞳擴充套件器，服從的是入射角等於反射角的反射定律。對構成全綵顯示的三原色的入射光無色散作用。從而可以保證現實畫面無明顯的顏色偏差。這也是專業顯示器最基本的要求。
而衍射波導使用的是衍射光柵作為耦入耦出器件，目前使用較多的衍射光柵方案有Hololens的傾斜光柵、Magic Leap所使用的二元光柵以及WaveOptics使用的圓柱光柵。整體的技術圖景見下圖。
無論具體技術形式如何，難以避免的就是色散效應，也就是說不同波長的光衍射角不同。同時在針對不同衍射角度，不同波長光的衍射效率有較大的差別。這就造成無論HoloLens還是Magic Leap都無法做到較好的色彩表現。
下圖可以看到微軟投資數億美元的HL2的色彩表現。
衍射波導為了解決這一問題，必須使用多片單色波導疊合工藝來提供“不那麼差的”色彩表現。毫無疑問的是這會增加產品的成本和複雜度，降低良率並使波導鏡片厚度很難做到3mm以下。同時如下圖所示，最外側的單色波導所耦出光線會受到其他波導層的影響，從而降低顏色均勻性，以下為上述現象的示意圖。
第二，從光學效果
來講，較高的外界光線透過率和較低的外側漏光率是全天佩戴所必須的。沒有人可以在無論陽光、陰雨、室內、室外環境下始終佩戴墨鏡。更不必提在某些文化和社會場景下，佩戴墨鏡是不合時宜的。另一方面，衍射波導所根深蒂固的外側漏光會導致個人隱私內容的洩露，這種現象被稱作“光眼”（glow eye）。
從光學原理上來說，漏光是由衍射光柵的多級衍射所造成的，而多級衍射只可以減弱而無法從根本上消除。通常閃耀光柵的使用可以減弱其他級次衍射並將能量耦合到需要的衍射級次。然而這通常需要再光柵表面鍍制金屬層，在增加了工藝難度的同時，降低了光學透過率。
第三，從產品形態上
來講，目前AR圈中對衍射波導推崇的一個原因在於其可以實現二維出瞳擴充套件。所謂二維出瞳擴充套件可以認為是在犧牲光效的代價之下，將光學系統的光闌（可以理解為相機的光圈）在水平和垂直方向上覆制多次來擴大系統所能容納的視場角，並擴大眼動範圍。如果將系統的總光學擴充套件量想象成一股水流，進行一維和二維出瞳擴充套件就類似於在花灑的不同檔位間切換，並無物理本質上的提升。
同時必須要認識到的一點是，雙目顯示的需求希望水平方向上有較大的出瞳來滿足不同人種，年齡，性別所帶來的的瞳距差別。而垂直方向上並無此硬性需求。保留一維出瞳擴充套件可以提升亮度，從而使得目前低功耗，高對比度，全綵但亮度偏低的Micro-OLED成為陣列波導很好的微顯示像源。
另外需要糾正的一個概念是，陣列波導在物理上完全支援二維出瞳擴充套件，來支援工業場景上對較大出瞳距離和眼動範圍的需求。靈犀在2021年Q1即將釋出使用陣列波導二維出瞳擴充套件30°視場角的極小型化光機。
第四，從工藝上
來講，光學玻璃使用的是成熟光學工藝，如鍍膜，膠合，切片，拋光等。操作精度在微米量級。工藝容差性好，產品一致性可在KK級別上保持穩定。前期投資可以控制在數千萬人民幣左右。目前衍射波導所使用的奈米壓印工藝，需要聚焦離子束刻蝕（Focused Ion Beam，簡稱FIB）硬質模板，再由模板轉印到聚合物軟模，再用軟模進行光柵轉印。所需要的裝置投入在數億人民幣左右，其中部分裝置無法國產化，受到國際供應鏈變動的可能性較大。
同時兩步轉印法容易積累誤差，造成所製備光柵表面的隨機性偏差。而這種隨機性偏差會影響到衍射光柵的波長響應，並且會造成能量散射。最後影響到同批次產品光學效能的均一性。這也是困擾HoloLens和WaveOptics已久的產能問題緣由所在。
另外必須闡明的一點是，在光學領域不存在矽基半導體產業中的
摩爾定律
，規模化不能幫助衍射波導的進一步Cost-down。目前FIB刻蝕生產硬質模板大單片成本在50-100萬人民幣，每片硬質模板可轉印大約1000片衍射波導片。FIB刻蝕的高成本使得單片衍射波導的成本很難低於100美金。而陣列波導最終單片價格可以控制在10美金以下。
三、AR最終方案的展望
在本文最後，我們想說明的一個問題是，陣列，衍射，體全息三條波導路徑本身並無技術優劣之分，都是利用反射或者衍射等光學現象達到擴展出瞳的效果，為AR眼鏡提供虛實融合器（combiner）。目前，除體全息技術之外，陣列和衍射都具有一定的技術成熟度，並進行了到了小批次量產階段。從使用上來看，衍射波導更加適合專業性場景，如安防，維修等對隱私性和體驗性要求較低，同時佩戴時長較短的應用領域。而消費級產品由於其要求足夠輕便，全天佩戴；視覺體驗好，隱私性好；同時具有很高的產品一致性和較低的成本，陣列波導可以說是完美的候選者。同時展望未來，隨著蘋果和Akonia合作的進一步展開，我們也拭目以待體全息波導未來的進展。不過必須保持清醒的一點，衍射波導存在的色散問題，以及正面漏光問題，也會在體全息波導上有一定程度的體現。我們也期待以Digilens，Sony，Akonia為代表的的廠商取得進工藝或設計上的突破已解決這一問題。
靈犀微光
Eric
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23/teardown-of-magic-leap-one-reveals-highly-advanced-placeholder-tech/
