深圳墨思維爾科技有限公司CTO張秦博在2025中國國際Mini/Micro-LED產業(yè)技術峰會上發(fā)表《新一代超表面光波導 加速AR顯示技術革命》主題報告。
眼鏡形態(tài)的可穿戴智能設備，目前正在面臨全新的市場機遇！
最初的音頻眼鏡，僅具有聽歌、通話等簡單音頻功能，不具備非常高的智能功能，這個階段的市場驗證是，用戶對于可穿戴設備的認可度和接受度比較高。
第二個階段是以Meta和雷朋眼鏡合作的AI眼鏡為代表，這款合作眼鏡在語音功能基礎上加入了攝像頭，同時還接入了Meta自身的語言大模型，可以支持AI識別以及一些拍照和錄視頻的功能，這款眼鏡銷量達到了200萬部，也證明了AI智能眼鏡設備市場非常廣闊。
墨思維爾公司瞄準第三階段：AR顯示+AI智能眼鏡的時代。在AI眼鏡的基礎上，加上AR顯示功能，可以實現(xiàn)多模態(tài)的感知以及實時的交互和顯示，這樣可以真正打造虛實融合交互的新形式。墨思維爾認為，這就是真正創(chuàng)新的主戰(zhàn)場，也是許多公司新的機遇。目前，中國市場提供了完整的消費電子的供應鏈，也有蓬勃發(fā)展的AI大模型，再加上不斷發(fā)展的光學顯示技術，為AR+AI智能眼鏡提供了非常豐富的發(fā)展土壤。
AR設備有兩個核心的功能，一是形態(tài)，二是體驗。作為要戴在鼻梁上的設備，希望設備輕便、無感，同時作為一個顯示的設備，希望顯示功能強勁，沉浸感強。目前有兩個解決的方案。以蘋果的Vision Pro作為代表的視頻透視設備 ，通過攝像頭捕捉周圍環(huán)境，再通過眼鏡內部的微顯示屏將環(huán)境還原出來。這個方案雖然提供了非常好的顯示效果，但是由于設備本身太過龐大和笨重，佩戴時間不能太長，長期使用的舒適度也很低。還有以BB（Birdbath）主導的光學透視方案，目的是將Vision Pro VR的形式縮小到眼鏡的形態(tài)，但是為了達到很好的顯示效果，對于環(huán)境光的透過率非常低，僅僅只有10%，外觀也因此要折中，所以外觀不是非常美觀，作為一個眼鏡其視頻功能也不太能滿足。
Meta推出的產品比較符合我們對于AR智能設備的期待，但是還是會面臨成本非常高無法實現(xiàn)量產的問題，同時仍然也被傳統(tǒng)的光波導光學結構所限制，仍然存在漏光以及色差的問題。但是，Meta這樣的方向也指明了光波導確實是實現(xiàn)小型化、輕量化、AI顯示最佳的光學技術，這個眼鏡仍然有一些缺點，但這些也給帶來很多的創(chuàng)新和發(fā)展的空間。
接下來看AR 光波導的工作原理與核心矛盾。AR光波導需要超小型的光機，從光機發(fā)出光，入射到光波導耦入光柵，耦入光柵會將入射光衍射并在光波導進行內旋再反射傳播。我們在光波導內再設計一系列的轉折光柵，可以對波導進行一維的擴統(tǒng)，在內旋反射傳播到耦出光柵，最后被人眼所看到，這里面的每一環(huán)都至關重要，環(huán)環(huán)相扣。光機需要高亮度、小體積，高效率，也要有很高的均勻性。波導要能讓更多角度的光進行內旋反射，我們最后希望的是有很大的顯示，由于傳統(tǒng)光圈的限制目前面臨不可能的三角形，如果要實現(xiàn)全彩的顯示就無法獲得很大的視場角和非常輕量的設計，如果需要很輕量的眼鏡就無法獲得比較好的全彩效果，以及視場角也會受限。
目前，傳統(tǒng)的光波導面臨一些問題。
色差的問題。由于傳統(tǒng)衍射光柵的限制，不同波長的光入射到光柵時會產生不同的衍射角，這個角在波導內進行多次的內旋反射之后，色差會不斷放大，最后到耦出光圈時，衍射的均勻性就會得到非常大的影響。為了解決衍射光柵對于不同波長光衍射角不同的問題，有的企業(yè)使用三層的波導，分別傳輸紅綠藍三色光，以獲得全彩和大視場的體驗。三層波導的問題，一是鏡片厚度非常厚，同時加工成本也成倍提升，需要非常好的對準精度，三層的波導也對對比度、清晰度造成一定的影響。
視場角的限制。光需要在波導內進行內旋反射的傳播，波導的折射率是影響可傳輸角度非常大的因素，因此限制視場角第一個因素就是波導的折射率，同時由于傳統(tǒng)的波導無法消除色差，紅光和藍光兩個波長相距比較大的光在波導內的傳播角度，同時也要被考慮進去。在色差影響下，波導的視場角限制在20度以內，能夠將色差消除的話，將波導的視場角由20度可以突破到60、70度。
效率和均勻性。無法避免入射光可能會和耦入光柵進行多次的入射，當入射光第二次與耦入光柵接觸的時候，有很大一部分能量就會漏出光柵，導致在耦出光柵的均勻性得到非常大的影響。
彩虹效應。環(huán)境光打到耦出光柵時，會在人眼中呈現(xiàn)一些彩虹的紋路，這樣非常影響用戶的觀看體驗，同時，耦出光柵的漏光問題，不可避免一些光耦出到環(huán)境之中，被外界的人看到，這樣對眼鏡的美觀度和隱私有一定的影響。
當我們意識到傳統(tǒng)光柵有如此多的問題，墨思維爾不打算繼續(xù)在傳統(tǒng)光柵上研究，瞄準的是超表面的結構，通過超表面結構，希望能夠突破傳統(tǒng)光柵的一些限制。
傳統(tǒng)光柵由于結構比較有限制，在優(yōu)化的時候，設計的參數(shù)非常有限，墨思維爾使用超表面光柵的時候，就有更多的優(yōu)化參數(shù)可以選擇，多種參數(shù)配合，可以滿足更高的設計要求。
傳統(tǒng)光柵的視場角由于存在色差的問題，傳統(tǒng)光柵的單片全彩的視場角被限制在30度以內，如果使用超表面的光柵，可以將視場角突破到60度以上。
傳統(tǒng)的光柵由于無法消除色散，如果要實現(xiàn)全彩顯示必須要堆疊多層的波導，超表面光柵將色差消除之后可以使用單片波導實現(xiàn)全彩的高保障顯示。
傳統(tǒng)的光柵效率比較低，不僅是光柵的效率低，為了配合全彩顯示，為了減輕色差的影響，光機部分也需要對應調整每個紅綠藍三個亮度，也能得到比較好的色彩顯示。如果使用超表面光柵將色差消除之后，光機的性能也能得到全面的釋放。
彩虹效應方面，在實現(xiàn)大視場角的情況下，傳統(tǒng)光圈會有非常嚴重的彩虹效應，超表面經(jīng)過參數(shù)的優(yōu)化之后，可以將非常好地控制彩虹效應。
最后就是漏光的影響，我們在設計中可以考慮進去，將超表面光柵這一系列的技術積累，從量變到質變，最終的眼鏡形態(tài)可以擁有更輕薄的形態(tài)，更長的續(xù)航以及更低的成本，真正的為沉浸式的AI體驗帶來可能。
拓撲優(yōu)化算法也是墨思維爾一項核心的技術力。傳統(tǒng)的光柵設計需要使用參數(shù)掃描以及經(jīng)驗計算的方法設計光柵，而墨思維爾使用的是自研的逆向優(yōu)化辦法，通過一次正向的傳播以及一次逆向的伴隨優(yōu)化，可以輕松得到空間內每一個位置對于整體光學結構的影響，同時再加入多目標優(yōu)化，同時優(yōu)化視場角、色差、效率，多個參數(shù)同時進行，最后在迭代中還要加入尺寸的制約，使超表面光柵能夠可加工，最后設計出來的光柵最小線寬大概在60nm左右，完全符合現(xiàn)在工業(yè)的設計最小線寬。
墨思維爾目前的第一代產品在耦入端使用的是超表面的光柵設計，消除了色差之后，紅綠藍三色光可以在波導內以精確的位置進行傳輸，當傳出到耦出光柵之后，三色光也會以精確的位置出色并且合色。墨思維爾有三項突破：一是消除了顯示色差，二是突破傳統(tǒng)光柵所達不到的視場角，三是單片中實現(xiàn)全彩的顯示。
來看傳統(tǒng)的光柵顯示效果和超表面光柵的顯示效果對比。傳統(tǒng)的顯示光柵在顯示純白文字，周邊會存在色彩的失真，視場角非常受限，影響沉浸感。傳統(tǒng)的光柵目前已經(jīng)達到優(yōu)化的極限，它的迭代速度慢慢降下來。超表面光柵消除了色差得到了非常好的均勻全彩顯示，同時也突破了傳統(tǒng)光柵的視場角的限制，也建立了非常好的技術代差，超表面光柵是領先行業(yè)至少一到兩年。墨思維爾自研的算法可以幫助自身產品進行快速的迭代。
2025年是墨思維爾的創(chuàng)業(yè)元年，主要任務是完善拓撲優(yōu)化算法，繼續(xù)迭代研發(fā)超表面光波導。希望在2026實現(xiàn)初步的小規(guī)模量產。也期待與戰(zhàn)略伙伴進行密切的合作，將墨思維爾的技術優(yōu)勢轉化為產品優(yōu)勢，在2027年能夠達到行業(yè)領先的水平，建立品牌的影響，同時參與制定行業(yè)的標準，為光波導提供一套完整的解決方案。
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