碳化硅材料:高折射率与高热导性成为最理想AR镜片材料

作者 | 发布日期 2025 年 05 月 06 日 11:53 | 分类 碳化硅SiC

以下内容转载自:思瀚研究院

碳化硅材料:高折射率助力实现广阔视场角FOV

碳化硅材料折射率可达2.6以上,对比树脂和玻璃等优势明显,单层镜片即可实现80度以上FOV。常用材料折射率方面,普通树脂约1.51,高折射率树脂约1.74;普通玻璃约1.5,高折射率玻璃约1.9。

而SiC材料可达2.6以上。光波导结构中,基底材料的折射率越高,AR镜片的视场角FOV就更大。传统玻璃经过三层堆叠后仅为40度左右,单层SiC镜片即可实现80度以上FOV,可以提供更轻薄的尺寸和更大更清晰的视觉效果。

碳化硅材料:有效解决光波导结构中的彩虹纹问题

碳化硅的高折射率使光栅周期可以设计的很小,而小光栅周期会增大环境光的衍射角度,超出人眼的观察范围后,进而解决分光造成的彩虹纹现象。彩虹纹指环境光透过AR波导后白光变成彩虹光的分光现象,本质上是光栅对不同波长(颜色)光的衍射角度差异导致的色散现象。

高折射率的SiC材料可以压缩光在材料中的有效波长,进而降低光栅周期。光栅周期降低后,固定入射角的不同颜色光的色散角差异减小,从而减少了颜色分离。从工艺可行性来看,碳化硅的硬度和化学稳定性支持纳米压印及电子束光刻工艺,工程上可以实现亚微米级光栅周期的高精度加工,从而解决彩虹纹现象。

实验数据:使用碳化硅衬底(光栅周期=300nm)的衍射光波导,相较于玻璃衬底(光栅周期=500nm),在可见光波段(400-700nm)的色散角差异可降低约40%,彩虹纹主观感知强度下降超过60%。

碳化硅材料:高热导性保障性能稳定,实现AR眼镜轻量化设计

碳化硅的热导率(约490 W/m·K)远高于传统光学材料如玻璃(约1 W/m·K)和树脂,能够快速传导光机模块和计算单元产生的热量,避免局部温度过高导致的性能下降或器件损坏。例如,传统AR眼镜因光机发热常触发过热保护机制从而降低亮度及刷新率,而碳化硅波导片通过材料自身的高效热传导,显著降低了热量堆积风险,从而支持高亮度显示(如5000尼特峰值亮度)和长时间稳定运行。

碳化硅材料高导热性使AR眼镜得以简化散热设计进而实现轻量化设计。传统AR眼镜依赖镜腿散热模块或主动冷却系统,增加了设备重量和复杂度。碳化硅的高热导性允许将散热功能集成到光波导片本身,通过被动散热即可满足需求。此外,优秀的散热性能为提升AR眼镜集成度、配置更多传感器留出冗余。

图为:碳化硅、树脂、玻璃性能参数对比

大厂布局AR眼镜,碳化硅波导有望加速产业化

科技大厂陆续布局 AR 眼镜,有望加速 AR 眼镜 + 碳化硅波导产业化。我国是最早实现 AR 眼镜产业化的国家,2018 年 Rokid推出AR 眼镜一代,次年 Xreal推出Light AR 眼镜。我们认为随着字节、阿里、苹果等科技巨头的入局,AR 眼镜产业化进程将加速推进,从而推动市场对性能更优产品的追求,进而促使高性能碳化硅波导降本增效,加速进入产业化周期。

Meta开创碳化硅波导AR眼镜时代,雷鸟X3Pro有望成为第一个量产型碳化硅AR眼镜。从2012年发布首款 AR眼镜 Google Glass 开启行业探索,到2019 年 Meta 首次演示碳化硅波导AR 眼镜引领行业转型,再到 2024 年西湖大学团队及 Meta 相继发布搭载碳化硅波导的 AR 眼镜,技术突破不断推动产业向前。2025 Q2雷鸟 X3Pro的发布有望成为第一个搭载碳化硅镜片的量产型AR眼镜,有望加速碳化硅波导渗透。