走向增強(qiáng)現(xiàn)實

消費電子行業(yè)正在尋找下一個風(fēng)口。柔性折疊屏手機(jī)正以不斷增長的銷量“重返”市場，可穿戴技術(shù)也正迅速崛起。增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）或混合現(xiàn)實（MR）智能眼鏡是其中一個達(dá)數(shù)百億美元的潛力市場。讓我們踏上旅程，一起去探索該行業(yè)的奮斗目標(biāo)，了解玻璃材料在解決現(xiàn)有問題過程中起到的重要作用。

增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）：新興的高科技行業(yè)

隨著微軟等早期創(chuàng)新型公司的成立，過去數(shù)年間，投資于研發(fā)領(lǐng)域的品牌和風(fēng)險投資公司的格局進(jìn)一步發(fā)展。RayBan Stories等首批AR/MR設(shè)備或以開發(fā)者為中心的Snap AR眼鏡，已向公眾揭開神秘面紗，讓人們初步窺見能用于未來先進(jìn)設(shè)備的各種應(yīng)用和機(jī)會。

未來，混合現(xiàn)實技術(shù)的一個共同之處在于：通過光波傳輸數(shù)字化信息，并將這些虛擬內(nèi)容融入用戶的自然視場的能力。實現(xiàn)數(shù)字化內(nèi)容與真實內(nèi)容的順利融合所需的是“波導(dǎo)”，它能將光信號傳送到用戶眼前。光學(xué)玻璃在光學(xué)和物理性能上優(yōu)于其它材料，作為基底材料起著至關(guān)重要的作用。

AR/MR可能實現(xiàn)重大突破的關(guān)鍵驅(qū)動因素

“設(shè)備必須提供沉浸式體驗，享有超凡大視場角（FOV），穿戴舒適，負(fù)重量小，才能激發(fā)高科技愛好者更廣泛的興趣，”肖特增強(qiáng)現(xiàn)實產(chǎn)品管理部負(fù)責(zé)人Matthias Jotz說道，“除此之外，還需要清晰的圖像質(zhì)量以及在連接5G網(wǎng)絡(luò)時可輕松使用數(shù)小時的超強(qiáng)電池續(xù)航能力。

折射率和阿貝圖

在光學(xué)領(lǐng)域里，光學(xué)介質(zhì)的折射率是一個表明光在此介質(zhì)中偏折能力的一個無量綱量。折射率決定了光在該介質(zhì)中的偏折程度，即折射程度。阿貝圖以玻璃的阿貝數(shù)V為橫軸，以玻璃的折射率n為縱軸，將不同玻璃材料的折射率和阿貝數(shù)對應(yīng)起來。

阿貝圖由德國物理學(xué)家、卡爾·蔡司基金會創(chuàng)始人、卡爾·蔡司公司和肖特集團(tuán)唯一股東恩斯特·阿貝（1840-1905）發(fā)明創(chuàng)造。他以好友兼商業(yè)伙伴卡爾·蔡司之名為該基金會命名。阿貝圖也稱為“玻璃坐標(biāo)圖”，采用肖特玻璃字母數(shù)字代碼在圖表上不同位置標(biāo)明玻璃的成分，對各種玻璃進(jìn)行分類。處于阿貝圖折射率軸末尾的玻璃材料具有大于1.9的折射率，這些玻璃具有作為AR晶圓的出色潛力。

Matthias是一名三十多歲充滿熱情的年輕人，說著一口德國法蘭克尼亞地區(qū)的微妙方言。他非常了解AR/MR行業(yè)，一直與推進(jìn)AR/MR相關(guān)技術(shù)的大品牌和創(chuàng)新企業(yè)不斷交流。他的主要任務(wù)之一是打破傳統(tǒng)玻璃制造與消費電子行業(yè)發(fā)展的隔閡。

“有些AR公司專注于最沉浸式的體驗，同時提供出色的視場角（FOV）和最清晰的圖像。另一些知名公司雖然在這方面有所妥協(xié)，但更專注于減輕設(shè)備重量，追求最佳穿戴舒適度和智能眼鏡的精致外觀，”Matthias補(bǔ)充道，并進(jìn)一步解釋道，大視場主要與波導(dǎo)材料的高折射率相關(guān)。不過，光學(xué)玻璃的折射率越高，在玻璃配方中添加的金屬或稀土成分就越多，產(chǎn)品重量也越大?！巴ǔ?，折射率越高、重量越大的這種依存關(guān)系，對尋找最佳光學(xué)解決方案同時又時刻追求精致輕便設(shè)計的創(chuàng)新者而言，是一個巨大障礙，”Matthias補(bǔ)充說道，“我們的玻璃科學(xué)家直面挑戰(zhàn)，設(shè)法將折射率保持在1.9以上，同時將重量減輕一半，并提升晶圓平整度。這項成果得益于為增強(qiáng)現(xiàn)實領(lǐng)域特別研發(fā)的全新玻璃配方，該配方中添加了更輕的金屬離子，同時提升了玻璃的機(jī)械性能?！?/p>

Matthias Jotz 簡介

Dr. Matthias Jotz在柏林學(xué)習(xí)機(jī)械和電氣工程專業(yè)，擁有法蘭克福（奧得河）歐洲大學(xué)和法國蘭斯諾歐商學(xué)院的國際商務(wù)管理碩士學(xué)位。為肖特工作之余，他還于2021年獲得了伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)工藝工程博士學(xué)位。2013年，Matthias開始擔(dān)任肖特集團(tuán)應(yīng)用工程師，在工藝工程部工作，負(fù)責(zé)可折疊玻璃開發(fā)工作（目前為肖特? UTG系列和賽絢?Flex系列產(chǎn)品市場）。此后，他調(diào)任肖特晶圓和超薄玻璃業(yè)務(wù)的產(chǎn)品管理與業(yè)務(wù)開發(fā)部門（目前為FLEXINITY?系列產(chǎn)品市場）。2020年12月，他加入肖特增強(qiáng)現(xiàn)實團(tuán)隊，擔(dān)任產(chǎn)品管理負(fù)責(zé)人。

Matthias Jotz 博士，肖特 FLEXINITY? 產(chǎn)品經(jīng)理

光學(xué)玻璃生產(chǎn)工藝可追溯至奧托·肖特時代，他既是當(dāng)今肖特集團(tuán)的創(chuàng)始人，也是著名的特種玻璃發(fā)明家。當(dāng)然，自十九世紀(jì)八十年代奧托的實驗后，玻璃量產(chǎn)工藝取得了進(jìn)一步發(fā)展，一些核心步驟也存續(xù)至今。

這一切都始于玻璃混合物，也就是石英砂與不同金屬氧化物的混合。對這種混合物進(jìn)行加熱，直到它在1600攝氏度左右熔化——形成熔融玻璃帶，繼而以受控方式冷卻，這個工藝被稱為“退火”。除了各種成分和許多熔煉參數(shù)（比如：確切溫度、用氧量及諸多其他參數(shù)）以外，玻璃的光學(xué)質(zhì)量還會受退火工藝本身影響?？赡苄枰臅r幾星期，才能達(dá)到最佳光學(xué)質(zhì)量。

從砂粒到高折射率玻璃晶圓的旅程

Scientist measures glass powder

Glass melter works in front of the melting oven

Optical raw glass for AR wafers

Raw glass is cutted into discs

Glass discs are polished

SCHOTT optical glass wafers

SCHOTT optical glass wafers are coated

SCHOTT RealView glass wafer for augmented and mixed reality

如何使玻璃晶圓變成波導(dǎo)

奧地利EV集團(tuán)（EVG）致力于為玻璃晶圓添加永久性光柵（晶圓尺寸可達(dá)直徑300 mm）。這家位于因河畔圣弗洛里安的公司為半導(dǎo)體、微機(jī)電系統(tǒng)、化合物半導(dǎo)體、電源設(shè)備和納米技術(shù)設(shè)備的制造商供應(yīng)大批量生產(chǎn)設(shè)備和工藝解決方案，比如AR/MR波導(dǎo)。公司經(jīng)過批量驗證的納米壓印設(shè)備為玻璃晶圓添加具有光學(xué)功能的納米結(jié)構(gòu)，將其從晶圓變成波導(dǎo)。

兩名工藝工程師正在實驗室檢查AR晶圓

經(jīng)過 EVG HERCULES? NIL 機(jī)器的納米光刻后，兩名工藝工程師正在檢查一片直徑為30毫米的AR玻璃晶圓。圖片來源：? EV 集團(tuán)。

“增強(qiáng)現(xiàn)實或混合現(xiàn)實所用的波導(dǎo)將光線從一點傳送到另一點。這些波導(dǎo)由納米結(jié)構(gòu)或所謂的“光柵”組成，通過我們的納米壓印光刻設(shè)備，將其準(zhǔn)確添加到玻璃晶圓上，”EVG業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Andrea Kneidinger說道，“根據(jù)特定功能設(shè)計的光柵讓光線進(jìn)入和脫離玻璃基材，在玻璃基材中通過全反射傳播光路?！惫鈱W(xué)設(shè)計師確定光學(xué)參數(shù)規(guī)格和波導(dǎo)設(shè)計后，EVG設(shè)備能精確的制作波導(dǎo)設(shè)計并將其復(fù)制在基材上，Andrea補(bǔ)充道。她繼續(xù)指出：“根據(jù)設(shè)計尺寸，多個波導(dǎo)設(shè)計可添加到玻璃基材上，從而實現(xiàn)單一波導(dǎo)設(shè)計的大批量生產(chǎn)?！?/p>

此外，為了給玻璃基材添加光柵結(jié)構(gòu)，需要采用與玻璃折射率相符的特定樹脂。芬蘭的Inkron Oy公司可供應(yīng)這種1.9折射率的高折射率樹脂，該公司是日本長瀨集團(tuán)的成員企業(yè)。

高折射率玻璃晶圓：肖特RealView?

具有高折射率的肖特RealView?玻璃晶圓是下一代AR/MR頭盔的關(guān)鍵組件。玻璃晶圓是多層RGB波導(dǎo)的基礎(chǔ)，因此是AR / MR實現(xiàn)沉浸式用戶體驗所用顯示裝置的關(guān)鍵部分。肖特旗下有多種產(chǎn)品組合，包括折射率1.5到2.0不等，直徑為100mm、150mm、200mm或300mm的晶圓。

高折射率玻璃晶圓：肖特RealView?

EVG納米壓印光刻設(shè)備在玻璃晶圓上添加光柵之后，激光在晶圓上切割下眼鏡鏡片。晶圓直徑越大，每片晶圓上可切出的眼鏡鏡片越多，其成本也就越低。制造商添加光學(xué)引擎、記憶裝置等，組合所有元件，制成AR/MR眼鏡。

這就是波導(dǎo)技術(shù)在衍射AR/MR可穿戴設(shè)備中的作用

投影儀將數(shù)字圖像的光波發(fā)射到波導(dǎo)方向。

在光柵的幫助下，投影儀的光波在設(shè)定的位置置耦合到波導(dǎo)中。

每種顏色的光波在限定的出射光柵區(qū)域內(nèi)耦合輸出n次。由于每個人瞳距不同，波導(dǎo)中的光波必須能在更大的范圍內(nèi)出射，以便被處在不同相對位置的人眼看到?！静▽?dǎo)技術(shù)通常采用三片玻璃晶圓，每一片分別充當(dāng)紅-綠-藍(lán)（RGB） 色彩空間中每種顏色的波導(dǎo)。在此簡化圖像中，只顯示一張RGB圖像?！?/p>

移動的、不固定的人眼分別感知數(shù)字圖像和真實圖像，營造出增強(qiáng)現(xiàn)實的效果。

反射波導(dǎo)：行業(yè)的另一場博弈

除了以上提到的依賴高折射率玻璃晶圓和光柵的衍射波導(dǎo)，還有以色列公司Lumus研發(fā)的一種替代技術(shù)：反射波導(dǎo)。與折射波導(dǎo)不同，反射波導(dǎo)利用玻璃內(nèi)一系列不同反射率的界面。這些反射界面將部分光線從波導(dǎo)引至用戶眼中，無需配置任何光柵。

“反射波導(dǎo)將圖像放大，將來自投影儀的數(shù)字化信息反射到用戶眼中，”Lumus首席執(zhí)行官Ari Grobman說道。Grobman在美國出生長大，20多年前搬到以色列，已在Lumus工作超過15年。2017年，Grobman接任Lumus首席執(zhí)行官。談到公司所取得的成就時，能從字里行間感受到他的自豪?！拔覀儾粩嗯c大型消費品牌進(jìn)行高層次探討，并堅信能與制造端的合作伙伴肖特一起大規(guī)模運用我們的技術(shù)，”Grobman補(bǔ)充道。

但 Lumus是如何生產(chǎn)反射波導(dǎo)的？“LOE主要包含高透明度光學(xué)玻璃、先進(jìn)鍍膜以及通過知識產(chǎn)權(quán)牢牢把控的一些工藝步驟。在Lumus，我們向負(fù)責(zé)大規(guī)模生產(chǎn)的合作伙伴授予技術(shù)許可，”Grobman繼續(xù)說道。

2020年，肖特和Lumus宣布建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，專業(yè)玻璃制造商接管反射波導(dǎo)的所有生產(chǎn)步驟，從制造最高等級的光學(xué)玻璃到所有后續(xù)工藝步驟，直至最終的波導(dǎo)成品。

肖特增強(qiáng)現(xiàn)實業(yè)務(wù)部副總裁Ruediger Sprengard表示：“作為玻璃愛好者，公司全方位支持AR和MR領(lǐng)域的創(chuàng)新者。在全球范圍內(nèi)，我們是唯一針對任何波導(dǎo)技術(shù)提供完整產(chǎn)品組合的公司：我們的高折射率晶圓為衍射波導(dǎo)和全息波導(dǎo)設(shè)定了久經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)考驗的行業(yè)參考質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在與Lumus的合作中，我們也利用全球制造網(wǎng)絡(luò)提供反射波導(dǎo)。”Sprengard認(rèn)為，市場、業(yè)內(nèi)創(chuàng)新公司、軟件以及終端消費者將決定哪種技術(shù)會最終勝出。

“最重要的一點是：引導(dǎo)AR走向大規(guī)模生產(chǎn)的所有主要步驟，最終都將由玻璃這個關(guān)鍵元件驅(qū)動。肖特的優(yōu)良傳統(tǒng)決定著對未來的承諾，因為我們堅信美好愿景終將推動世界前行，”Sprengard補(bǔ)充道。