Три технических пути для оптических волноводов AR: какой из них выйдет победителем

В сентябре 2024 года Meta представила Orion, прототип своих очков дополненной реальности. В тот момент, когда Цукерберг надел их, в линзах появилось полноцветное изображение с полем зрения 70 градусов — без радужных артефактов и ореолов, а виртуальный контент плавно слился с реальностью, как чернила в воде.

Ученый-мета-оптик Паскуаль Ривера однажды описал этот опыт так: «Носить очки с традиционными стеклянными волноводами — все равно, что находиться на дискотеке: ваше зрение наполнено радужными артефактами, из-за которых практически невозможно четко увидеть содержимое дополненной реальности. Но в тот момент, когда вы переключаетесь на волноводы из карбида кремния, это похоже на вход в симфонический зал — все затихает, и вы, наконец, можете полностью погрузиться в процесс».

Это утверждение напрямую затрагивает основную проблему индустрии оптических волноводов дополненной реальности: задача состоит не просто в их производстве, а в их качественном производстве . Оптический волновод AR — прозрачная линза толщиной менее 1 миллиметра — представляет собой «последнюю милю» в определении того, смогут ли очки AR действительно совершить прыжок на потребительский рынок.

В настоящее время в отрасли используются три основных технических подхода: волноводы с поверхностной решеткой (SRG), волноводы с геометрической решеткой и волноводы с объемной голографической решеткой (VHG). Каждый из них опирается на разные физические принципы и сталкивается со своими уникальными инженерными трудностями.

Какой из этих трех путей в конечном итоге возобладает?

Для начала уточним: какую проблему на самом деле решают оптические волноводы?

Прежде чем обсуждать три технических подхода, мы должны сначала установить фундаментальную природу оптических волноводов. Оптическая система очков AR должна выполнять две задачи одновременно: доставлять виртуальные изображения вашим глазам, не закрывая при этом обзор реального мира.

Это означает, что оптические компоненты должны быть достаточно прозрачными и тонкими, а также обеспечивать широкое поле зрения (FOV) и большой наглазник.

Ранние подходы, такие как призмы, оптика произвольной формы и конструкции Birdbath, столкнулись с одним и тем же физическим компромиссом: увеличение поля зрения требовало более толстого оптического модуля, тогда как сделать модуль тоньше означало пожертвовать светопропусканием.

Конструкция призмы, используемой в Google Glass, обеспечивала угол обзора всего 15° и пропускание света менее 50%. Решение Epson произвольной формы весило 550 граммов и напоминало шлем, а конструкция Birdbath, используемая XREAL, обеспечивала пропускание света менее 30%, что делало очки похожими на темные солнцезащитные очки.

Оптические волноводы используют совершенно другой подход: оптический путь сворачивается в тонкий лист стекла и передается посредством полного внутреннего отражения, после чего специальные структуры «извлекают» свет и направляют его в глаз. Это отделяет толщину оптического модуля от поля зрения, позволяя использовать линзы тоньше 3 мм, светопропускание более 85% и теоретическое поле зрения более 80°.

Проблема заключается в том, как свет «вводится» и «выводится». Различие между тремя различными техническими путями заключается именно в физических механизмах, используемых для этого «включения» и «выключения».

Волновод с решеткой поверхностного рельефа (SRG): король массового производства, но страдает от радужных артефактов

Принцип: гравировка «нанорешеток» на поверхности стекла. Суть SRG заключается в изготовлении периодических наноразмерных рельефных структур — по сути, дифракционных решеток — на поверхности стеклянной подложки.

Свет, излучаемый микродисплеем, претерпевает дифракцию при встрече с решеткой входной связи; угол дифракции удовлетворяет условию полного внутреннего отражения, тем самым «захватывая» свет внутри волновода для распространения. Достигнув решётки выходной связи, свет снова дифрагирует и «высвобождается» для попадания в человеческий глаз.

Кроме того, за счет изменения периода решетки и рабочего цикла можно добиться «расширения глазного ящика» — увеличения выходного зрачка всего с нескольких миллиметров до более 10 миллиметров — что позволяет пользователю просматривать изображение без необходимости точного совмещения глаз с определенным местом.

Преимущество: возможности массового производства намного превосходят два других подхода. Самым большим преимуществом технологии SRG является ее способность использовать зрелые процессы производства полупроводников.

Наноимпринтная литография (NIL) позволяет с высокой точностью воспроизводить решетчатые мастер-структуры на пластинах; одна 12-дюймовая пластина может дать от 20 до 25 волноводов.

Goertek Optics достигла производственной мощности в 25 000 единиц в месяц (на основе 12-дюймовых пластин), что дает годовой объем производства примерно от 600 000 до 750 000 волноводов. В 2025 году глобальный доход от волноводов SRG достиг 245 миллионов долларов, обеспечив доминирующую долю рынка в 62%.

Китайские компании снизили себестоимость единицы продукции ниже $18, одновременно повысив доходность до 86%.

Флагманские AR-устройства, такие как Microsoft HoloLens, Magic Leap и продукты отечественных брендов, таких как RayNeo и Meizu, используют технологию SRG.

Фатальный недостаток: физическая природа «эффекта радуги». Самой критикуемой проблемой SRG является эффект радуги.

Это не производственный дефект, а естественная физическая характеристика.

Дифракция на решетке приводит к дифракции света с разными длинами волн под разными углами. При просмотре внешнего мира через волновод SRG различные компоненты окружающего света с длиной волны «разделяются» решеткой, создавая цветные полосы в поле зрения. Это похоже на радужное отражение на обратной стороне компакт-диска — здесь действует тот же физический механизм.

Еще одна проблема – утечка света.

Выходная решетка не только направляет свет изображения на глаза пользователя, но и рассеивает его часть наружу.

Если кто-то посмотрит на ваши очки сбоку, он увидит мерцающее изображение — проблема конфиденциальности, которая неприемлема в реальных сценариях использования.

Существует также проблема низкой оптической эффективности. Коэффициент использования света SRG обычно составляет всего 1–5%, а это означает, что более 95% света, излучаемого микродисплеем, тратится впустую; это напрямую увеличивает энергопотребление и увеличивает требования к яркости микро-светодиодов.

Технологические прорывы в 2025–2026 гг.

Отрасль не сидит сложа руки. Процессы травления заменяют наноимпринтную литографию как направление нового поколения для SRG.

В наноимпринтной литографии используются органические фоторезисты, ограничивающие показатель преломления примерно до 2,0; напротив, процессы травления воздействуют непосредственно на неорганические материалы, обеспечивая показатель преломления, превышающий 2,4, и фундаментально улучшая оптические характеристики.

AAC Technologies в партнерстве с Dispelix выпустила однослойный полноцветный волновод, изготовленный с использованием процессов травления полупроводников, с полем зрения 25°, светоотдачей 1500 нит/лм, толщиной 0,7 мм и весом всего 4 г; он обеспечивает пропускание света более 90 % и подавляет радужные артефакты до уровня, который «не влияет на взаимодействие с пользователем».

Между тем, компания Zhige Technology утверждает, что значительно подавляет радужные артефакты в 95% сценариев использования, и получила инвестиции от Xiaomi и OPPO.

Однако, честно говоря, радужные артефакты можно лишь подавить, а не устранить — пока существует решетчатая структура, дисперсия сохраняется. Это неотъемлемое ограничение подхода SRG (поверхностная рельефная решетка).

Волновод с геометрической решеткой: вершина качества изображения, но кошмар для массового производства.

Принцип: Использование набора полуотражающих/полупрозрачных зеркал для «перенаправления» световых лучей.

В геометрических волноводах используется совершенно другой подход — они полагаются исключительно на геометрическую оптику без учета дифракции.

Его конструкция проста: массив наклоненных полуотражающих зеркал встроен в стеклянную подложку. Свет попадает в волновод через входную призму связи и распространяется за счет полного внутреннего отражения; каждый раз, когда он сталкивается с полуотражающим зеркалом, часть света отражается из волновода в глаз пользователя, а оставшийся свет попадает к следующему зеркалу. Он действует как набор «зеркал-ретрансляторов», «изливающих» свет шаг за шагом.

Поскольку в геометрических волноводах не используется дифракция, они лишены радужных артефактов и проблем с дисперсией, обеспечивая высочайшее качество изображения среди трех подходов.

Преимущества: Превосходное качество изображения и минимальная утечка света.

Геометрические волноводы обеспечивают гораздо более высокую оптическую эффективность по сравнению с SRG; они устраняют дифракционные потери и обеспечивают высокую эффективность оптического пути, тем самым снижая энергопотребление оптического двигателя. Благодаря коэффициенту утечки света всего 1–5 % (самому низкому среди трех технологий) они обеспечивают превосходную конфиденциальность, делая содержимое дисплея практически невидимым для наблюдателей, смотрящих в очки сбоку. Они лидируют по всем показателям, таким как цветопередача, контрастность и разрешение; на сегодняшний день геометрические волноводы Lumus остаются непревзойденными по качеству изображения. По прогнозам, к 2025 году их доля на мировом рынке составит около 28%, и они доминируют в секторах B2B, таких как промышленность и вооруженные силы, которые требуют исключительно высокого качества изображения.

Фатальный недостаток: кошмар массового производства покрытий и склеивания

Проблема с геометрическими волноводами заключается в производстве.

Основным процессом является прецизионное оптическое изготовление: резка стеклянных призм, шлифовка, полировка, нанесение покрытия, а также склеивание или склеивание. Хотя на каждом этапе используются традиционные оптические методы, требования к точности доведены до абсолютного предела.

Покрытие представляет собой первое серьезное препятствие. Каждая полуотражающая/полупрозрачная поверхность требует точного контроля соотношения отражения и пропускания (R/T). Более того, эти значения R/T должны различаться в разных местах; поскольку свет теряет энергию при распространении, поверхности дальше по пути требуют более высокой отражательной способности для обеспечения равномерного светового потока. Толщина покрытия контролируется в нанометровом масштабе, а одна стеклянная подложка может содержать десятки слоев покрытия.

Связывание является вторым серьезным препятствием.

Традиционное склеивание основано на оптических клеях; однако усадка полимерных клеев при отверждении приводит к рассеянию света и цветовым сдвигам, а оптических клеев с высоким показателем преломления мало. Молекулярное соединение (прямое соединение) обеспечивает превосходные результаты, но требует чрезвычайно строгих условий процесса — атомарно плоских поверхностей, где даже малейшие частицы или топографические неровности приводят к нарушению соединения.

Результат: урожайность остается низкой, а затраты остаются высокими.

В 2025 г. объем массового производства геометрических волноводов останется значительно ниже, чем у SRG; это основная причина, почему их доля рынка составляет менее половины доли SRG.

Кто придерживается курса?

Компания Lumus (Израиль) является эталоном в области геометрических волноводов и лидирует в области производства стеклянных пластин с высоким показателем преломления благодаря партнерству с компанией SCHOTT.

Отчеты предполагают, что продукты Meta AR 2025 года могут использовать конфигурацию LCoS плюс геометрический волновод; если это правда, то это станет крупным прорывом для геометрических волноводов на потребительском рынке.

Ключевые внутренние китайские игроки в этой сфере включают такие компании, как Libaiguangjing и Lingxiweiguang.

Положение геометрических волноводов во многом похоже на положение EUV-технологии в литографических системах: они обеспечивают максимальную производительность, но также представляют собой самые высокие барьеры для массового производства.

Если производственные узкие места будут преодолены, это может стать окончательным решением проблемы качества изображения. Однако до тех пор они остаются преимущественно высококлассным вариантом для корпоративного (B2B) рынка.

Волноводы с объемной голографической решеткой (VHG): убийца затрат, но материалы являются критическим узким местом

Принцип: «Написание» решетки показателя преломления внутри материала.

Концепция VHG фундаментально отличается от концепции SRG.

В то время как SRG представляет собой решетку с рельефом поверхности, образованную путем физического травления структуры на поверхности, VHG создается посредством двухлучевого интерференционного воздействия. Этот процесс вызывает периодическую модуляцию показателя преломления внутри светочувствительного материала (например, фотополимера), эффективно «записывая» невидимую решетку внутрь материала.

Поскольку решетка существует в объеме материала (а не на поверхности), ее называют «объемной голограммой».

Этот механизм имеет ряд преимуществ:

1. Более высокая теоретическая эффективность дифракции: селективность объемных решеток по Брэггу обеспечивает эффективную дифракцию света на определенных длинах волн и под определенными углами, при этом теоретическая эффективность дифракции приближается к 100%.

2. Отсутствие структур рельефа поверхности: это устраняет механизмы дисперсии, вызывающие радужные артефакты, и позволяет избежать проблем с загрязнением поверхности.

3. Простой производственный процесс: он не требует наноимпринтинга или травления — только система лазерного интерференционного воздействия, что приводит к снижению теоретических затрат и повышению производственной мощности.

4. Минимальная утечка света: продукт Nica Optics N25G имеет коэффициент утечки света менее 1:140.

Преимущество: Best соответствует необходимости снижения затрат и массового внедрения.

Среди трех путей VHG предлагает наибольший потенциал низких производственных затрат.

Никакого нанопроизводственного оборудования, прецизионного покрытия или молекулярной связи не требуется — только система лазерного интерференционного воздействия.

В июне 2026 года компания «Ника Оптикс» запустила в Тяньцзине первую в мире автоматизированную линию по производству объемных голографических оптических волноводов, способную производить один миллион единиц в год; совокупная годовая мощность предприятий в Тяньцзине и Гуанчжоу достигла 1,3 миллиона единиц.

В 2025 году VHG (объемная голографическая решетка) занимала примерно 10% доли мирового рынка, но демонстрировала самые быстрые темпы роста.

Очки XINGYIZHINENG AR99 оснащены объемными голографическими волноводами Nika Optics, а цена всего устройства составляет всего 999 юаней — цена, которая произвела фурор в отрасли.

Фатальный недостаток: «невозможный треугольник» материалов

Ахиллесова пята VHG – это материалы.

Фотополимерные материалы должны одновременно отвечать трем критериям: высокая модуляция показателя преломления (Δn), долговременная экологическая стабильность (стойкость к старению, температуре и влажности) и высокая точность изготовления. Эти три критерия по своей сути противоречивы, образуя «невозможный треугольник»:

1. Увеличение Δn обычно требует включения неорганических наночастиц с высоким показателем преломления, что ухудшает прозрачность и стабильность материала;

2. Повышение стабильности требует сшивки и отверждения, что ограничивает реакцию светочувствительных групп и снижает Δn;

3. Точное управление профилем показателя преломления требует чрезвычайно узкого диапазона экспозиции и строгого контроля окружающей среды, что чрезвычайно затрудняет обеспечение единообразия в массовом производстве.

Следовательно, VHG обычно предлагают поле зрения (FOV) всего 30–40 °, а их постоянство цвета и охват цветовой гаммы для полноцветных дисплеев все еще отстают от показателей SRG и геометрических волноводов.

Более того, проблема старения светочувствительных материалов до сих пор принципиально не решена. Будут ли ухудшаться характеристики волновода через несколько лет? В настоящее время недостаточно долгосрочных полевых данных, чтобы ответить на этот вопрос.

Существует также ограничение на уровне цепочки поставок: высокоточным системам лазерного интерференционного воздействия не хватает стандартизированных, серийно выпускаемых версий. Следовательно, каждая компания должна разрабатывать свои собственные индивидуальные решения, а этот процесс характеризуется длительными циклами разработки и высокими инвестиционными затратами.

Кто делает ставки?

Среди глобальных игроков — Sony, DigiLens (США) и Akonia (приобретена Apple в 2018 году).

Среди отечественных представителей — Nika Optics, Sanji Optoelectronics, Crystal-Optech и Gudong Technology.

Приобретение Apple компании Akonia само по себе сигнализирует о ключевой оценке: объемная голография вполне может стать окончательным путем для AR потребительского уровня, хотя прорывы в материаловедении являются обязательным условием.

Карбид кремния: четвертый путь? «Удар по уменьшению размеров» на материальном уровне

После десятилетия дебатов по трем конкурирующим подходам в 2024 году Meta произвела фурор, выпустив Orion: оптические волноводы из карбида кремния (SiC).

Это не четвертый технический маршрут; скорее, это представляет собой «пространственный удар» на материальном уровне по первым трем маршрутам.

Почему карбид кремния меняет правила игры

Максимальное поле зрения (FOV) оптического волновода определяется показателем преломления материала подложки: FOVmax∝arcsin⁡(nguide-nair)

Показатель преломления обычного стекла составляет примерно 1,5–1,7, а стекла с высоким показателем преломления, используемого для SRG, колеблется от 1,9 до 2,0. Это напрямую ограничивает максимальное поле зрения (FOV) для однослойных волноводов — угол обзора 52° HoloLens 2 уже приближается к физическим пределам стеклянных материалов.

Карбид кремния может похвастаться высоким показателем преломления 2,65–3,2, что обеспечивает поле зрения (FOV) 70–80° при использовании всего лишь однослойного волновода, что устраняет необходимость в многослойной укладке.

Что еще более важно, дисперсионные характеристики карбида кремния позволяют оптимизировать период решетки до 262 нм, физически устраняя радужные артефакты — не просто подавляя их, а полностью устраняя.

Затем происходит рассеяние тепла: карбид кремния имеет теплопроводность примерно 490 Вт/м·К — почти в 500 раз больше, чем у стекла. Тепло, генерируемое оптическим механизмом, может отводиться непосредственно через линзу, что устраняет необходимость в специальных конструкциях для рассеивания тепла и еще больше снижает вес.

Используя волноводы из карбида кремния, Meta Orion достигает поля зрения 70° (FOV) и веса менее 100 грамм, сохраняя при этом внешний вид, аналогичный обычным очкам - возможности, с которыми не могут сравниться стеклянные волноводы.

Однако стоимость является существенным недостатком.

Стоимость каждой линзы из карбида кремния в настоящее время исчисляется тысячами юаней, что намного превышает стоимость стеклянных волноводов. Руководители Meta также признали, что значительная часть производственных затрат Orion приходится на линзы из карбида кремния.

Карбид кремния обладает чрезвычайной твердостью (9,25 по шкале Мооса, уступая только алмазу), что делает его чрезвычайно трудным для обработки. Кроме того, возможности производства крупногабаритных подложек из карбида кремния оптического качества остаются ограниченными.

В число отечественных китайских компаний, работающих в этом секторе, входят Sanan Optoelectronics, TankeBlue Semiconductor, Tianke Heda и Guotan Semiconductor. К 2025 году компания Guotan Semiconductor успешно разработала 12-дюймовые монокристаллы карбида кремния высокой чистоты и завершила мелкосерийную проверку с несколькими клиентами AR. Goertek Optics также выпустила F50Se, полноцветный модуль оптического волноводного дисплея, использующий технологию травления карбида кремния.

Суть подхода, основанного на использовании карбида кремния, заключается в обмене более высоких материальных затрат на скачок в производительности на поколение вперед.

Его переход на потребительский рынок зависит от темпов снижения стоимости крупногабаритных подложек из карбида кремния — окно возможностей, оптимистично прогнозируемое на 2027–2028 годы.

Отраслевой ландшафт: кто на что делает ставку

Ситуация в отрасли по состоянию на середину 2026 года постепенно прояснилась:

Стоит отметить несколько отраслевых сигналов:

1. Производственные системы начинают конвергентироваться.

После 2026 года отраслевая конкуренция сместится от «кто может произвести продукт» к «кто может обеспечить стабильную доставку». Внутренние эффективные производственные мощности для SRG (поверхностных рельефных решеток) составляют примерно 6–8 миллионов единиц в год, однако спрос превышает 10 миллионов единиц в год, что приводит к дефициту предложения в несколько миллионов единиц высококачественных волноводов.

2. Сотрудничество между оптическими гигантами и гигантами полупроводникового оборудования.

В июне 2026 года EssilorLuxottica и Applied Materials объявили о совместных усилиях по разработке оптических систем дополненной реальности следующего поколения для умных очков; Это партнерство, объединяющее традиционного производителя линз с поставщиком полупроводникового оборудования, сигнализирует о переходе в производстве AR-оптики от «лабораторных процессов» к «производству полупроводникового уровня».

3. Гертек приобретает Санни О-Лай.

В начале 2026 года Goertek Optics и Sunny Optical завершили сделку по обмену акциями на сумму примерно 1,9 миллиарда юаней, интегрируя возможности полной цепочки — от проектирования до производства. Консолидация отрасли ускоряется.

Окончательный вердикт: кто будет смеяться последним

По нашей оценке, хотя в краткосрочной перспективе не будет единого победителя, ситуация в среднесрочной перспективе уже формируется.

Краткосрочный период (2026–2027 гг.): доминирует SRG; VHG получает преимущество на массовом рынке.

Используя зрелые процессы наноотпечатка и травления, доходность 86% и стоимость единицы продукции менее 18 долларов, SRG останется основным решением для потребительской AR в течение следующих 1–2 лет.

Радужные артефакты подавляются до «приемлемого» уровня, а поле зрения (FOV) 25–50° подходит для большинства случаев потребительского использования.

VHG быстро проникает на массовый рынок (в частности, на ценовой уровень 999 юаней за очки AR) и в автомобильный сектор AR-HUD благодаря своим ценовым преимуществам.

Ключевым сигналом станет запуск производственной линии Nika Optics, выпускающей миллион единиц продукции.

Однако ограничения, связанные с полем зрения и возможностями полноцветного отображения, по-прежнему трудно кардинально решить в краткосрочной перспективе.

Геометрические волноводы сохранят свои лидирующие позиции на корпоративном рынке (B-to-B), ожидая одобрения со стороны продуктов потребительского уровня, выпущенных такими лидерами отрасли, как Meta.

Среднесрочная перспектива (2028–2030 гг.): Карбид кремния меняет ландшафт.

Если стоимость крупноформатных подложек из карбида кремния (SiC) упадет до приемлемого уровня (по прогнозам, это займет 2–3 года), волноводы SiC одновременно устранят «эффект радуги», связанный с решетками с рельефом поверхности (SRG) и ограничениями поля зрения (FOV) геометрических волноводов, становясь «революционным решением» для дополненной реальности потребительского уровня.

В этот момент фокус конкуренции сместится с «процессов изготовления решеток» на «материальные платформы» — тот, кто освоит недорогой, крупноформатный карбид кремния оптического качества, будет иметь ключ к будущему AR-оптики.

Долгосрочная перспектива

В конечном счете, конкуренция среди оптических волноводов AR — это не игра с нулевой суммой между тремя различными маршрутами, а скорее гонка между двумя эволюционными путями:

Путь 1: Максимизация точности производства.

Благодаря непрерывному обновлению процессов травления, материалов с высоким показателем преломления и технологий нанесения покрытий SRG и геометрические волноводы приближаются к физическим пределам в рамках существующих материальных систем.

Путь 2: Материальная революция.

Новые материалы, такие как карбид кремния, фундаментально меняют правила игры, обходя существующие узкие места в технологических процессах и обеспечивая скачок в производительности на поколение вперед.

VHG, однако, может пойти по третьему пути: как только светочувствительные материалы преодолеют «невозможный треугольник», ценовые преимущества объемной голографии могут сделать ее окончательным решением для потребительского рынка. Приобретение компанией Apple компании Akonia представляет собой стратегическую ставку именно в этом направлении.

По сути, эти три подхода рассматривают один и тот же вопрос с трех разных сторон: производительность, стоимость и осуществимость. SRG выигрывает по технологичности, геометрические волноводы превосходят по производительности, а VHG предлагает наибольший потенциал затрат, в то время как карбид кремния пытается победить на всех трех фронтах.

Кто будет смеяться последним?

Речь идет не о каком-то одном конкретном пути, а, скорее, о том, чтобы первыми одновременно раскрыть триаду «высокая производительность + низкая стоимость + массовое производство».

Эта гонка только началась.

Источник: Шендучжуйгуан