厚度仅0.55毫米！中国团队全球首发新型碳化硅AR眼镜

早于Meta公司，西湖大学团队已全球首发碳化硅AR眼镜！

手机已成为我们与信息世界交互的基本工具，但同时手机又将我们的双手束缚住了。如何解决这个问题？答案就是交互的可穿戴设备。

近日（北京时间9月26日凌晨），美国Meta公司发布了号称有史以来最先进的AR眼镜——Orion。外观与普通黑框眼镜类似，仅98克的重量，70度超大视场角、全息显示、碳化硅镜片、内置AI等功能，连英伟达创始人黄仁勋都为其站台。该设备也打开了人们对未来终端产品形态的想象。

与此同时，我们注意到，早于Meta公司，在9月24日上午，由西湖大学未来产业研究中心孵化的慕德微纳（杭州）科技有限公司，向大家展示了一副“神奇”的碳化硅AR眼镜。

西湖大学国强光学工程讲席教授、副校长以及慕德微纳首席科学家仇旻团队用碳化硅代替传统的玻璃或树脂镜片，这款AR眼镜的镜片单片重量仅为2.7克，厚度仅为0.55毫米，比传统的太阳镜还要轻薄。它不仅实现了大视场角的单片全彩显示，还解决了传统AR眼镜中常见的“彩虹纹”干扰问题。

西湖大学博士后、慕德微纳（杭州）科技有限公司CEO杜凯凯表示，这副AR眼镜另一个亮点是，当用户佩戴上它之后，可以透过镜片看到3米外一百多寸的全彩屏幕。“相比于市面上已有的AR眼镜，我们这项成果最直观的特点就是极致轻薄，镜片部分只有传统AR镜片1/3的重量。”

这是这副眼镜的第一次公开亮相，更是“极致轻薄无彩虹纹碳化硅AR衍射光波导”这项科技成果的全球首发。

微纳光学，是在微小尺度上对光学现象进行操控的一门新兴学科，它为AR镜片在内的光学器件和技术带来了新的技术方案。仇旻团队多年来一直深耕于微纳光学领域，在微纳光子学理论、微纳加工与制造、仪器装备等科研方向硕果颇丰。依托多年的科研积累，也为了解决产业需求，2022年4月，成立了慕德微纳（杭州）科技有限公司，专注于AR衍射光波导、衍射光学元件、超构光学器件等产品的研发。

公司先后完成倾斜光栅、二维光栅、闪耀光栅、渐变深度光栅等的纳米压印模板技术开发，成为国内第一家完成相关技术开发的单位。目前，慕德微纳已经在杭州市临平区建立生产线，并实现了从光刻到镀膜、刻蚀、测试等一系列生产流程的国产化，具备小批量生产的硬件和技术条件。

团队打破常规，将微纳光学技术实力与完美的材料性质相结合，把这款极致轻薄的碳化硅AR眼镜打造出来，并走出实验室，走向公众视野。

传统的AR眼镜为了实现全彩色显示，通常需要使用多层高折射率玻璃来传导光线。这种设计往往导致镜片比较厚重，用户长时间佩戴时可能会感到不舒适。此外，多层结构还可能引起所谓的“彩虹纹”效应，这会干扰视觉效果，降低用户体验。

为了克服这些挑战，西湖大学的研究团队采用了碳化硅材料来制造AR眼镜镜片，这种材料具有高达2.65的折射率，远超传统玻璃的折射率。利用这一特性，只需单层波导就能完成全彩显示任务，从而大幅减轻了镜片的重量，并且通过超薄封装技术进一步减小了体积，使得佩戴者几乎感觉不到眼镜的存在。由于碳化硅的硬度仅次于金刚石，也使得制成的AR镜片既轻薄又耐用。

与此同时，通过对波导结构的精确设计，研究团队还成功消除了彩虹纹问题，为用户提供了一个干净清晰的画面。单层碳化硅波导理论上能够支持80度的全彩成像，相比之下，传统高折射率玻璃由于材料限制，单片能够提供的最大全彩色视场角不超过40度。而更大的视场角，意味着更好的沉浸感和体验。

此外，就是大多数传统电子设备的难点——散热。碳化硅材料的导热性能是玻璃的数百倍，这使得AR眼镜在散热效率上得到了大幅提升。通过特殊设计，碳化硅AR眼镜利用镜片本身进行散热，显著提高了散热效率，解决了传统AR眼镜因热量堆积而导致的过热保护问题。

但是要将AR技术真正产业化，融入日常生活之中，产品的实用性、价格等都是重点。比如Apple Vision Pro作为一款革命性的空间计算设备，在分辨率和性能上达到了新的高度，为用户带来前所未有的沉浸式体验。然而，其高昂的价格和可能的佩戴不适限制了其在普通消费者中的普及。

AR是Augmented Reality（增强现实）的简称，而AR眼镜就是可以让佩戴者在现实世界的基础上叠加虚拟景象，并通过传感和计算实现虚实融合与虚实互动。理想的AR眼镜就是，它在外观、重量等方面应该与常规的近视眼镜没有明显差异，点亮时是生产力工具，不点亮时就是普通眼镜。

与Apple Vision Pro的区别是，Vision Pro是混合现实（MR）产品，结合了VR和AR，相对较为厚重。由于其依赖摄像头导入外部影像，可能会导致失真或眩晕。相比之下，AR眼镜基于透明镜片设计，主要展示真实世界，在必要时才添加虚拟元素，减少了眩晕感，并追求更轻盈舒适的佩戴体验。

但碳化硅AR眼镜目前也有与Apple Vision Pro类似的问题，碳化硅镜片价格过高，甚至远超Vision Pro这类设备。据慕德微纳（杭州）科技有限公司CEO杜凯凯称：比如我们做镜片用到的一片四寸片就要一两千元，六寸片就要三四千元。

制约因素源于碳化硅这一材料。碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，因其出色的物理特性，如高禁带宽度、高热导率、高电子饱和迁移速度等，在高压、高频、高温的电子器件领域展现出巨大的应用潜力。与传统的硅材料相比，碳化硅器件在相同条件下具有更小的尺寸、更高的效率以及更优异的耐高温和耐高压特性，这使得它们非常适合用于5G通信、新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域。例如，特斯拉Model 3的逆变器采用了碳化硅MOSFET，而国内厂商比亚迪也在其电动车上搭载了自主研发的碳化硅功率模块。

但当前碳化硅运用普遍受制于相对较高的成本，主要是因为其制造和封装过程中的成本较高。由于目前碳化硅衬底的生产效率较低，且主流晶圆尺寸仍为4英寸和6英寸，导致原材料成本较高。此外，制造和封装过程中的低成品率也增加了成本。这也导致，目前碳化硅功率制备的相关器件主要还是在部分高端应用领域，难以大规模普及运用。

就以Meta刚刚发布的Orion AR眼镜为例。据悉，在2022年，在Meta全面紧缩开支的阶段，扎克伯格曾一度决定搁置这款眼镜的发布。决定搁置Orion的主要原因便是其制造成本高得惊人，每副眼镜大约1万美元（约7万人民币），大部分成本来自碳化硅镜片，这也是目前Meta也并未对外开售该AR眼镜的很大一部分原因。

但近年来，随着碳化硅材料生产技术的成熟和市场需求的增长，其价格呈现出一定的下降趋势。就以常常用LED灯为例，LED灯泡所使用的衬底是蓝宝石，蓝宝石原来也是非常昂贵的，但随着时间的推移和技术的发展，其价格已经大幅降低，现在的价格也从原来的一片几千元变成了几十元。类似的情况也可能发生在碳化硅材料上，随着更多的应用场景和更大的生产规模，碳化硅的成本有望进一步降低，使其在更多领域得到应用。

仇旻教授预测，如果碳化硅AR眼镜能够得到广泛的应用，年产达到几十万片、几百万片，价格也会从两三千元降到两三百元，甚至有一天可能会降到几十元。届时，真正的“AR 时代”或许也将随之到来。