輕薄AR眼鏡背后，光波導技術(shù)的博弈與突圍

作為AR顯示系統(tǒng)的核心，近眼顯示設(shè)備的光學成像模組直接決定了產(chǎn)品的形態(tài)與用戶體驗。相比于早期基于同軸光學系統(tǒng)或自由曲面棱鏡的傳統(tǒng)AR光學方案，基于平面光波導的AR光學方案可以讓AR眼鏡做到像普通眼鏡般輕薄，同時提供更廣闊的視野和靈活的觀看角度，成像效果也更加清晰。

目前光波導方案主要分為幾何光波導、衍射光波導兩種。幾何光波導技術(shù)成熟，圖像保真度高，是目前高端AR市場的主流方案之一；衍射光波導則憑借其高設(shè)計自由度和大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，正成為消費級AR眼鏡競相布局的技術(shù)方向。然而，如何進一步提高光學效率、有效解決色散與彩虹效應，并實現(xiàn)低成本的規(guī)模化量產(chǎn)，仍是當前產(chǎn)業(yè)界與學術(shù)界共同面臨的核心挑戰(zhàn)。

01

幾何光波導

幾何光波導以陣列光波導為主。陣列光波導利用陣列式的半透半反鏡實現(xiàn)波導內(nèi)光線的傳輸與耦出，光從微顯示器中射出，在耦入?yún)^(qū)域光線通過反射鏡進入波導中，在波導內(nèi)以全內(nèi)反射的方式傳播，在耦出區(qū)域通過陣列分布的半透半反鏡進行出瞳擴展和耦出。根據(jù)擴瞳范圍的不同，幾何陣列光波導可分為一維幾何陣列光波導與二維幾何陣列光波導。

二維陣列光波導原理圖，圖源：Lumus官網(wǎng)

陣列光波導的優(yōu)勢在于光效高，比其他方案高一個量級，有數(shù)據(jù)指出一維陣列光波導光效利用率在5%-10%，二維陣列光波導可達到5%左右。此外，陣列光波導顯示效果更好，Eyebox可以做得很大，并且不存在其他方案的彩虹紋效應。陣列光波導的局限在于量產(chǎn)端，眼鏡加工時工藝流程繁冗、良率低且成本高昂。

陣列光波導的加工流程主要是研磨、拋光、鍍膜和膠合。首先通過切割玻璃基材獲得各種規(guī)格的波導小棱鏡，然后對小棱鏡進行粗磨、精磨與拋光，之后在小棱鏡上分別鍍不同膜系的薄膜獲得不同的反射/透射比，最后對小棱鏡進行膠合將它固定為表面光滑的波導片，并通過測角儀、干涉儀等儀器對波導片進行檢測。

陣列光波導加工流程

02

衍射光波導

衍射光波導與幾何光波導不同，它的設(shè)計不依賴于幾何光學，而是利用光的衍射效應，主要采用光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對光束的調(diào)制。根據(jù)光柵種類的不同，衍射光波導主要可分為表面浮雕光柵（SRG）波導與體全息光柵（VHG）波導。

• 表面浮雕光柵波導

表面浮雕光柵波導是在波導表面形成周期性的微納浮雕結(jié)構(gòu)，通過精確控制光柵周期、占空比、槽深、側(cè)壁傾角等光柵參數(shù)，實現(xiàn)光束的耦入、傳輸和耦出，是衍射光波導中應用最廣泛、技術(shù)最成熟的耦合元件。入射光束通過輸入光柵衍射進入波導，經(jīng)過全內(nèi)反射后傳輸至輸出光柵區(qū)域，再經(jīng)過輸出光柵衍射導出至人眼。

SRG微納浮雕結(jié)構(gòu)

表面浮雕光柵波導實現(xiàn)方案主要有三種，目前主流使用的是納米壓印技術(shù)（NIL），能低成本、大批量地在玻璃或者樹脂上壓印出納米級光柵結(jié)構(gòu)。刻蝕工藝則偏向高精度、高性能的需求。

（1）光刻+干法刻蝕工藝

AR行業(yè)通常使用電子束曝光（EBL）、深紫外曝光（DUV）等光刻方式進行光柵圖案的加工。干法刻蝕則通過等離子體（ICP）或離子束（RIBE）轟擊基底表面，選擇性去除未被光刻膠保護的基底材料，實現(xiàn)基底表面圖案化，干法刻蝕（ICP或RIBE）能確保圖案的大面積均勻性和陡直側(cè)壁。光刻+干法刻蝕工藝是在高折基底上直接加工光柵，組成光柵的材料為玻璃、陶瓷或者氧化物等高折材料，能夠制造出折射率RI超過2.0的光柵，不受高折膠折射率的限制。

EBL+干法刻蝕工藝流程，來源：C Lighting

（2）納米壓印工藝

納米壓印技術(shù)是一種基于機械壓印原理的微納結(jié)構(gòu)復制技術(shù)，通過高精度模板將納米級圖案直接轉(zhuǎn)移到樹脂上，其基本原理是運用納米圖形模板壓在膠體涂層上進行模壓成型，實現(xiàn)納米圖形的加工。

納米壓印工藝的核心流程包括模板制備、壓印膠涂覆、機械壓印（熱壓或紫外固化）、脫模及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移等步驟。納米壓印工藝包括熱壓法（T-NIL）、紫外線納米壓印光刻法（UV-NIL）。其中UV-NIL是表面浮雕光柵光波導批量生產(chǎn)中的最常用方法。

NIL技術(shù)工藝流程圖

（3）納米壓印+干法刻蝕工藝

納米壓印+干法刻蝕工藝采用低折射率樹脂作為干法刻蝕的犧牲層，在納米壓印后，以壓印膠的圖案為掩膜，通過干法刻蝕將殘膠層及硬質(zhì)掩膜層穿透，并延伸至下方的基底層，進而得到下層材料的結(jié)構(gòu)圖案，刻蝕后通過氧等離子體處理和化學清洗去除殘留聚合物及壓印膠，完成結(jié)構(gòu)制備。該方案支持多種高折基底材料（如高折玻璃、鈮酸鋰或碳化硅等材料），突破了傳統(tǒng)壓印膠的折射率上限。

• 體全息光柵波導

體全息光柵波導方案采用體全息光柵作為衍射光波導中的耦入耦出元件。通過雙光束全息曝光技術(shù)在介質(zhì)中形成干涉條紋，從而可以獲得折射率周期性變化的光柵結(jié)構(gòu)，當介質(zhì)的厚度遠大于光波長時這種結(jié)構(gòu)稱為體全息光柵。體全息光柵相對于表面浮雕光柵具有更高的衍射效率，但是它對入射光的波長與衍射角要求更高。

體全息光柵波導的主要制備工藝是干涉曝光。通過使用激光激發(fā)的干涉圖案附著在基底上的光敏折射材料，材料特性隨著光強度分布的不同而變化，最后獲得折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)。體全息光柵波導的制備材料主要有鹵化銀、重鉻酸鹽明膠、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶等。

制備體全息光柵波導的卷對卷工藝流程

小結(jié)

未來AR光波導將圍繞性能提升、量產(chǎn)降本、技術(shù)融合三大方向持續(xù)演進。光波導與Micro-LED顯示的結(jié)合，有望在近幾年成為消費級AR產(chǎn)品的主流方案，有效破解當前AR顯示在亮度、功耗與體積之間的矛盾。先進微納制造工藝是實現(xiàn)AR顯示設(shè)備規(guī)模化量產(chǎn)與低成本化的核心，納米壓印、刻蝕工藝、卷對卷生產(chǎn)等技術(shù)的突破，將持續(xù)提升光波導元件的量產(chǎn)能力與良率，最終實現(xiàn)輕薄便攜、視場廣闊、顯示清晰、續(xù)航持久的AR顯示目標。

參考來源：
[1]關(guān)堂新等：增強現(xiàn)實顯示系統(tǒng)中光波導元件的研究進展與展望
[2]姜玉婷等：增強現(xiàn)實近眼顯示設(shè)備中光波導元件的研究進展
[3]王夢誠等：納米壓印研究進展及創(chuàng)新應用
[4]MOE成像與顯示技術(shù)、VR陀螺、舜宇奧來技術(shù)