AR應(yīng)用場(chǎng)景全面擴(kuò)張，光學(xué)材料成為關(guān)鍵勝負(fù)手

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，AR眼鏡作為連接虛擬與現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵設(shè)備，正逐漸融入人們的生活。從消費(fèi)級(jí)的觀影、游戲體驗(yàn)，到工業(yè)、醫(yī)療、教育等專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，AR眼鏡市場(chǎng)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。當(dāng)前AR行業(yè)的規(guī)模化普及，離不開一批成熟度高、適配性強(qiáng)的光學(xué)材料支撐。其中，傳統(tǒng)光學(xué)玻璃與樹脂、碳化硅占據(jù)核心地位，分別在不同技術(shù)路線中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖源：Rokid樂奇

光學(xué)玻璃

玻璃的折射率在光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用中起著非常重要的作用，一般在1.5-1.7。隨著科技的發(fā)展，采用折射率在1.9以上的高折射率光學(xué)玻璃來(lái)滿足光學(xué)器件的發(fā)展需求已經(jīng)成為高性能光學(xué)玻璃的發(fā)展方向。

目前報(bào)道的高折射率(nd≥2.0)玻璃，主要加入了高含量的過渡元素氧化物，如TiO2、WO3、Nb2O5、Ta2O5等，加入的過渡元素氧化物對(duì)環(huán)境的危害較小，并且使玻璃具有較高的折射率。高折射率光學(xué)玻璃的主要體系有鑭系玻璃、鉍系玻璃、硫系玻璃等。

作為特種玻璃的創(chuàng)造者，肖特致力于采用高端光學(xué)玻璃組件推動(dòng)AR/MR的未來(lái)發(fā)展。肖特具備全鏈路制造能力，從光學(xué)玻璃熔制、晶圓超精密加工，到真空鍍膜、波導(dǎo)組裝，實(shí)現(xiàn)了端到端自主可控，有力保障了產(chǎn)品的一致性與量產(chǎn)穩(wěn)定性。目前，該技術(shù)已與行業(yè)頭部伙伴深度協(xié)同，成為Meta Ray-Ban等標(biāo)桿產(chǎn)品的核心光學(xué)元件供應(yīng)商。

玻璃晶圓，圖源：肖特

光學(xué)樹脂

光學(xué)樹脂是一種高分子有機(jī)化合物，經(jīng)模壓澆鑄成型或注塑成型。目前市場(chǎng)上主流的光學(xué)樹脂包括環(huán)烯烴聚合物（COC/COP）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，其中高折射率改性樹脂是技術(shù)升級(jí)的核心方向。

相較行業(yè)普及的玻璃光波導(dǎo)，樹脂衍射光波導(dǎo)技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)：輕量化，樹脂材料密度僅為玻璃材料密度的1/3~1/4，但兩者在光學(xué)性能表現(xiàn)上幾乎無(wú)差異；抗跌落，樹脂光波導(dǎo)鏡片在抗跌落能力層面表現(xiàn)更硬核，有效延長(zhǎng)使用壽命；安全性，樹脂光波導(dǎo)鏡片的抗沖擊能力更強(qiáng)，大幅提升佩戴安全指數(shù)。

采用1.74高折射率樹脂光波導(dǎo)的AR眼鏡，圖源：莫界科技

聚碳酸酯（PC）

PC既具有類似有色金屬的強(qiáng)度，同時(shí)又兼?zhèn)溲诱剐约皬?qiáng)韌性，它的沖擊強(qiáng)度極高，能經(jīng)受住電視機(jī)熒光屏的爆炸。聚碳酸酯的透明度又極好，并可施以任何著色。光學(xué)PC材料有良好的透光率，通常在90%以上；折射率為1.5-1.6，耐沖擊性能良好，所以也可用在AR眼鏡光波導(dǎo)樹脂鏡片。

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

PMMA是甲基丙烯酸甲酯（MMA）的均聚物或共聚物，俗稱有機(jī)玻璃、亞克力等，具有高透明度、低價(jià)格、易于機(jī)械加工等優(yōu)點(diǎn)，是平常經(jīng)常使用的玻璃替代材料。PMMA密度較低、機(jī)械強(qiáng)度高、透光率高達(dá)92%，在光學(xué)性能、電絕緣性、耐候性及加工成型性方面均表現(xiàn)優(yōu)異。

環(huán)烯烴聚合物（COC/COP）

環(huán)烯烴共聚物（COC）和環(huán)烯烴均聚物（COP）是一類具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的非晶性透明高分子材料。COC/COP具有非常優(yōu)越的光學(xué)特性，擁有高透光性（大于95%）、高折射率及低雙折射率（<0.05%），光學(xué)性能優(yōu)于PC/PMMA材料；密度小于玻璃，能顯著降低設(shè)備重量，滿足小型/輕量的光學(xué)設(shè)計(jì)需求。

國(guó)內(nèi)COC材料供應(yīng)商拓烯科技已與歌爾光學(xué)達(dá)成深度合作，成為其供應(yīng)鏈中的重要一環(huán)。

拓美特?TAMT?（COC），圖源：拓烯科技

碳化硅（SiC）

碳化硅作為一種先進(jìn)材料，已在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并開始進(jìn)入AR眼鏡領(lǐng)域。碳化硅能夠?yàn)锳R眼鏡帶來(lái)四大優(yōu)勢(shì)：

一是實(shí)現(xiàn)更大視場(chǎng)角。碳化硅材料的折射率可達(dá)2.6以上，單層碳化硅鏡片即可實(shí)現(xiàn)80度以上的視場(chǎng)角。

二是有助于解決彩虹紋問題。高折射率的碳化硅可以壓縮光在材料中的有效波長(zhǎng)，進(jìn)而降低光柵周期，增大環(huán)境光的衍射角度，使其超出人眼的觀察范圍，進(jìn)而解決分光造成的彩虹紋問題。

三是延長(zhǎng)穩(wěn)定續(xù)航時(shí)間。碳化硅的熱導(dǎo)率（約490W/m·K）遠(yuǎn)高于玻璃（約1W/m·K）、樹脂等傳統(tǒng)光學(xué)材料，能夠快速傳導(dǎo)光機(jī)模塊和計(jì)算單元產(chǎn)生的熱量，支持高亮度顯示和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

四是簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。碳化硅的高熱導(dǎo)性允許將散熱功能集成到光波導(dǎo)片本身，通過被動(dòng)散熱即可滿足需求。另外，碳化硅優(yōu)秀的散熱性能為提升AR眼鏡集成度、配置更多傳感器留出冗余。

隨著AR眼鏡產(chǎn)品形態(tài)逐步落地，相關(guān)光學(xué)方案受到行業(yè)關(guān)注，國(guó)內(nèi)企業(yè)也在加快材料與工藝層面的布局。XREAL、雷鳥創(chuàng)新、慕德微納、廣納四維等AR眼鏡及硬件廠商已在加速碳化硅光波導(dǎo)布局，與此同時(shí)，天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、爍科晶體、同光半導(dǎo)體、浙江晶瑞、山西天成、乾晶半導(dǎo)體等碳化硅襯底企業(yè)也在迅速跟進(jìn)。

（a）SiC波導(dǎo)晶圓及（d）SiC波導(dǎo)鏡片，圖源：西湖大學(xué)工學(xué)院SOE

參考來(lái)源：

[1]郭融等：環(huán)烯烴共聚物和均聚物性能對(duì)比

[2]王衍行等：高折射率光學(xué)玻璃的研究進(jìn)展

[3]先進(jìn)功能材料、粉體網(wǎng)、中國(guó)復(fù)材