走向增强现实
消费电子行业正在寻找下一个风口。柔性折叠屏手机正以不断增长的销量“重返”市场，可穿戴技术也正迅速崛起。增强现实（AR）或混合现实（MR）智能眼镜是其中一个达数百亿美元的潜力市场。让我们踏上旅程，一起去探索该行业的奋斗目标，了解玻璃材料在解决现有问题过程中起到的重要作用。
增强现实（AR）和混合现实（MR）：新兴的高科技行业
随着微软等早期创新型公司的成立，过去数年间，投资于研发领域的品牌和风险投资公司的格局进一步发展。RayBan Stories等首批AR/MR设备或以开发者为中心的Snap AR眼镜，已向公众揭开神秘面纱，让人们初步窥见能用于未来先进设备的各种应用和机会。
未来，混合现实技术的一个共同之处在于：通过光波传输数字化信息，并将这些虚拟内容融入用户的自然视场的能力。实现数字化内容与真实内容的顺利融合所需的是“波导”，它能将光信号传送到用户眼前。光学玻璃在光学和物理性能上优于其它材料，作为基底材料起着至关重要的作用。
AR/MR可能实现重大突破的关键驱动因素
“设备必须提供沉浸式体验，享有超凡大视场角（FOV），穿戴舒适，负重量小，才能激发高科技爱好者更广泛的兴趣，”肖特增强现实产品管理部负责人Matthias Jotz说道，“除此之外，还需要清晰的图像质量以及在连接5G网络时可轻松使用数小时的超强电池续航能力。
折射率和阿贝图
在光学领域里，光学介质的折射率是一个表明光在此介质中偏折能力的一个无量纲量。折射率决定了光在该介质中的偏折程度，即折射程度。阿贝图以玻璃的阿贝数V为横轴，以玻璃的折射率n为纵轴，将不同玻璃材料的折射率和阿贝数对应起来。
阿贝图由德国物理学家、卡尔·蔡司基金会创始人、卡尔·蔡司公司和肖特集团唯一股东恩斯特·阿贝（1840-1905）发明创造。他以好友兼商业伙伴卡尔·蔡司之名为该基金会命名。阿贝图也称为“玻璃坐标图”，采用肖特玻璃字母数字代码在图表上不同位置标明玻璃的成分，对各种玻璃进行分类。处于阿贝图折射率轴末尾的玻璃材料具有大于1.9的折射率，这些玻璃具有作为AR晶圆的出色潜力。
Matthias是一名三十多岁充满热情的年轻人，说着一口德国法兰克尼亚地区的微妙方言。他非常了解AR/MR行业，一直与推进AR/MR相关技术的大品牌和创新企业不断交流。他的主要任务之一是打破传统玻璃制造与消费电子行业发展的隔阂。
“有些AR公司专注于最沉浸式的体验，同时提供出色的视场角（FOV）和最清晰的图像。另一些知名公司虽然在这方面有所妥协，但更专注于减轻设备重量，追求最佳穿戴舒适度和智能眼镜的精致外观，”Matthias补充道，并进一步解释道，大视场主要与波导材料的高折射率相关。不过，光学玻璃的折射率越高，在玻璃配方中添加的金属或稀土成分就越多，产品重量也越大。“通常，折射率越高、重量越大的这种依存关系，对寻找最佳光学解决方案同时又时刻追求精致轻便设计的创新者而言，是一个巨大障碍，”Matthias补充说道，“我们的玻璃科学家直面挑战，设法将折射率保持在1.9以上，同时将重量减轻一半，并提升晶圆平整度。这项成果得益于为增强现实领域特别研发的全新玻璃配方，该配方中添加了更轻的金属离子，同时提升了玻璃的机械性能。”
Matthias Jotz 简介
Dr. Matthias Jotz在柏林学习机械和电气工程专业，拥有法兰克福（奥得河）欧洲大学和法国兰斯诺欧商学院的国际商务管理硕士学位。为肖特工作之余，他还于2021年获得了伊尔梅瑙工业大学工艺工程博士学位。2013年，Matthias开始担任肖特集团应用工程师，在工艺工程部工作，负责可折叠玻璃开发工作（目前为肖特® UTG系列和赛绚®Flex系列产品市场）。此后，他调任肖特晶圆和超薄玻璃业务的产品管理与业务开发部门（目前为FLEXINITY®系列产品市场）。2020年12月，他加入肖特增强现实团队，担任产品管理负责人。
光学玻璃生产工艺可追溯至奥托·肖特时代，他既是当今肖特集团的创始人，也是著名的特种玻璃发明家。当然，自十九世纪八十年代奥托的实验后，玻璃量产工艺取得了进一步发展，一些核心步骤也存续至今。
这一切都始于玻璃混合物，也就是石英砂与不同金属氧化物的混合。对这种混合物进行加热，直到它在1600摄氏度左右熔化——形成熔融玻璃带，继而以受控方式冷却，这个工艺被称为“退火”。除了各种成分和许多熔炼参数（比如：确切温度、用氧量及诸多其他参数）以外，玻璃的光学质量还会受退火工艺本身影响。可能需要耗时几星期，才能达到最佳光学质量。
从砂粒到高折射率玻璃晶圆的旅程
如何使玻璃晶圆变成波导
奥地利EV集团（EVG）致力于为玻璃晶圆添加永久性光栅（晶圆尺寸可达直径300 mm）。这家位于因河畔圣弗洛里安的公司为半导体、微机电系统、化合物半导体、电源设备和纳米技术设备的制造商供应大批量生产设备和工艺解决方案，比如AR/MR波导。公司经过批量验证的纳米压印设备为玻璃晶圆添加具有光学功能的纳米结构，将其从晶圆变成波导。
经过 EVG HERCULES® NIL 机器的纳米光刻后，两名工艺工程师正在检查一片直径为30毫米的AR玻璃晶圆。图片来源：© EV 集团。
“增强现实或混合现实所用的波导将光线从一点传送到另一点。这些波导由纳米结构或所谓的“光栅”组成，通过我们的纳米压印光刻设备，将其准确添加到玻璃晶圆上，”EVG业务发展经理Andrea Kneidinger说道，“根据特定功能设计的光栅让光线进入和脱离玻璃基材，在玻璃基材中通过全反射传播光路。”光学设计师确定光学参数规格和波导设计后，EVG设备能精确的制作波导设计并将其复制在基材上，Andrea补充道。她继续指出：“根据设计尺寸，多个波导设计可添加到玻璃基材上，从而实现单一波导设计的大批量生产。“
此外，为了给玻璃基材添加光栅结构，需要采用与玻璃折射率相符的特定树脂。芬兰的Inkron Oy公司可供应这种1.9折射率的高折射率树脂，该公司是日本长濑集团的成员企业。
EVG纳米压印光刻设备在玻璃晶圆上添加光栅之后，激光在晶圆上切割下眼镜镜片。晶圆直径越大，每片晶圆上可切出的眼镜镜片越多，其成本也就越低。制造商添加光学引擎、记忆装置等，组合所有元件，制成AR/MR眼镜。
投影仪将数字图像的光波发射到波导方向。
在光栅的帮助下，投影仪的光波在设定的位置置耦合到波导中。
每种颜色的光波在限定的出射光栅区域内耦合输出n次。由于每个人瞳距不同，波导中的光波必须能在更大的范围内出射，以便被处在不同相对位置的人眼看到。【波导技术通常采用三片玻璃晶圆，每一片分别充当红-绿-蓝（RGB） 色彩空间中每种颜色的波导。在此简化图像中，只显示一张RGB图像。】
移动的、不固定的人眼分别感知数字图像和真实图像，营造出增强现实的效果。
反射波导：行业的另一场博弈
除了以上提到的依赖高折射率玻璃晶圆和光栅的衍射波导，还有以色列公司Lumus研发的一种替代技术：反射波导。与折射波导不同，反射波导利用玻璃内一系列不同反射率的界面。这些反射界面将部分光线从波导引至用户眼中，无需配置任何光栅。
“反射波导将图像放大，将来自投影仪的数字化信息反射到用户眼中，”Lumus首席执行官Ari Grobman说道。Grobman在美国出生长大，20多年前搬到以色列，已在Lumus工作超过15年。2017年，Grobman接任Lumus首席执行官。谈到公司所取得的成就时，能从字里行间感受到他的自豪。“我们不断与大型消费品牌进行高层次探讨，并坚信能与制造端的合作伙伴肖特一起大规模运用我们的技术，”Grobman补充道。
但 Lumus是如何生产反射波导的？“LOE主要包含高透明度光学玻璃、先进镀膜以及通过知识产权牢牢把控的一些工艺步骤。在Lumus，我们向负责大规模生产的合作伙伴授予技术许可，”Grobman继续说道。
2020年，肖特和Lumus宣布建立战略伙伴关系，专业玻璃制造商接管反射波导的所有生产步骤，从制造最高等级的光学玻璃到所有后续工艺步骤，直至最终的波导成品。
肖特增强现实业务部副总裁Ruediger Sprengard表示：“作为玻璃爱好者，公司全方位支持AR和MR领域的创新者。在全球范围内，我们是唯一针对任何波导技术提供完整产品组合的公司：我们的高折射率晶圆为衍射波导和全息波导设定了久经大规模生产考验的行业参考质量标准，在与Lumus的合作中，我们也利用全球制造网络提供反射波导。”Sprengard认为，市场、业内创新公司、软件以及终端消费者将决定哪种技术会最终胜出。
“最重要的一点是：引导AR走向大规模生产的所有主要步骤，最终都将由玻璃这个关键元件驱动。肖特的优良传统决定着对未来的承诺，因为我们坚信美好愿景终将推动世界前行，”Sprengard补充道。