輕薄AR眼鏡背后，光波導(dǎo)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(xué)成像模組直接決定了產(chǎn)品的形態(tài)與用戶體驗(yàn)。相比于早期基于同軸光學(xué)系統(tǒng)或自由曲面棱鏡的傳統(tǒng)AR光學(xué)方案，基于平面光波導(dǎo)的AR光學(xué)方案可以讓AR眼鏡做到像普通眼鏡般輕薄，同時(shí)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(dǎo)方案主要分為幾何光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)兩種。幾何光波導(dǎo)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(dǎo)則憑借其高設(shè)計(jì)自由度和大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，正成為消費(fèi)級(jí)AR眼鏡競相布局的技術(shù)方向。然而，如何進(jìn)一步提高光學(xué)效率、有效解決色散與彩虹效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)低成本的規(guī)模化量產(chǎn)，仍是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界共同面臨的核心挑戰(zhàn)。

01

幾何光波導(dǎo)

幾何光波導(dǎo)以陣列光波導(dǎo)為主。陣列光波導(dǎo)利用陣列式的半透半反鏡實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)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(jìn)入波導(dǎo)中，在波導(dǎo)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(jìn)行出瞳擴(kuò)展和耦出。根據(jù)擴(kuò)瞳范圍的不同，幾何陣列光波導(dǎo)可分為一維幾何陣列光波導(dǎo)與二維幾何陣列光波導(dǎo)。

二維陣列光波導(dǎo)原理圖，圖源：Lumus官網(wǎng)

陣列光波導(dǎo)的優(yōu)勢在于光效高，比其他方案高一個(gè)量級(jí)，有數(shù)據(jù)指出一維陣列光波導(dǎo)光效利用率在5%-10%，二維陣列光波導(dǎo)可達(dá)到5%左右。此外，陣列光波導(dǎo)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(yīng)。陣列光波導(dǎo)的局限在于量產(chǎn)端，眼鏡加工時(shí)工藝流程繁冗、良率低且成本高昂。

陣列光波導(dǎo)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(dǎo)小棱鏡，然后對(duì)小棱鏡進(jìn)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(duì)小棱鏡進(jìn)行膠合將它固定為表面光滑的波導(dǎo)片，并通過測角儀、干涉儀等儀器對(duì)波導(dǎo)片進(jìn)行檢測。

陣列光波導(dǎo)加工流程

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衍射光波導(dǎo)

衍射光波導(dǎo)與幾何光波導(dǎo)不同，它的設(shè)計(jì)不依賴于幾何光學(xué)，而是利用光的衍射效應(yīng)，主要采用光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的調(diào)制。根據(jù)光柵種類的不同，衍射光波導(dǎo)主要可分為表面浮雕光柵（SRG）波導(dǎo)與體全息光柵（VHG）波導(dǎo)。

• 表面浮雕光柵波導(dǎo)

表面浮雕光柵波導(dǎo)是在波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)光束的耦入、傳輸和耦出，是衍射光波導(dǎo)中應(yīng)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(jìn)入波導(dǎo)，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(dǎo)出至人眼。

SRG微納浮雕結(jié)構(gòu)

表面浮雕光柵波導(dǎo)實(shí)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(jí)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(jìn)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(hù)的基底材料，實(shí)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(jī)械壓印原理的微納結(jié)構(gòu)復(fù)制技術(shù)，通過高精度模板將納米級(jí)圖案直接轉(zhuǎn)移到樹脂上，其基本原理是運(yùn)用納米圖形模板壓在膠體涂層上進(jìn)行模壓成型，實(shí)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(jī)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(dǎo)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(jìn)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(xué)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(dǎo)

體全息光柵波導(dǎo)方案采用體全息光柵作為衍射光波導(dǎo)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(dāng)介質(zhì)的厚度遠(yuǎn)大于光波長時(shí)這種結(jié)構(gòu)稱為體全息光柵。體全息光柵相對(duì)于表面浮雕光柵具有更高的衍射效率，但是它對(duì)入射光的波長與衍射角要求更高。

體全息光柵波導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)的卷對(duì)卷工藝流程

小結(jié)

未來AR光波導(dǎo)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(jìn)。光波導(dǎo)與Micro-LED顯示的結(jié)合，有望在近幾年成為消費(fèi)級(jí)AR產(chǎn)品的主流方案，有效破解當(dāng)前AR顯示在亮度、功耗與體積之間的矛盾。先進(jìn)微納制造工藝是實(shí)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(duì)卷生產(chǎn)等技術(shù)的突破，將持續(xù)提升光波導(dǎo)元件的量產(chǎn)能力與良率，最終實(shí)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(biāo)。

參考來源：
[1]關(guān)堂新等：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)中光波導(dǎo)元件的研究進(jìn)展與展望
[2]姜玉婷等：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)近眼顯示設(shè)備中光波導(dǎo)元件的研究進(jìn)展
[3]王夢(mèng)誠等：納米壓印研究進(jìn)展及創(chuàng)新應(yīng)用
[4]MOE成像與顯示技術(shù)、VR陀螺、舜宇?yuàn)W來技術(shù)