AR眼镜光学主流：光波导技术方案及加工工艺全解析

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1.介绍

增强现实技术(ar技术)是虚拟信息和现实世界的融合，属于下一个信息技术的引爆点。据权威预测，增强现实眼镜将取代手机成为下一代协同计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术正在各行各业兴起，尤其是在安全和工业领域。增强现实技术体现了它的优势，极大地改善了信息交互的方式。目前，成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、水盆方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和光导方案。前三种方案体积庞大，这限制了它们在智能佩戴中的应用，即增强现实眼镜。全息透镜方案利用了全息图的光学特性，具有视场大、体积小的优点，但受眼球运动范围小的限制。波导是当前的增强现实眼镜方案。波导方案分为几何波导方案、压纹光栅波导方案和体全息波导方案。几何波导方案通常包括锯齿波导和偏振薄膜阵列反射镜波导(简称偏振阵列波导)。其中，主流的偏振阵列波导使用部分透射和部分反射的薄膜镜来显示虚拟信息。偏振阵列波导方案具有亮度高、眼动范围大、颜色均匀等优点。压印光栅波导方案可以通过纳米压印技术大规模生产，这引起了ar光模块制造商的极大兴趣。它具有大视场和大眼球运动范围的优点，但也将带来视场均匀性和颜色均匀性的挑战，相关的微纳加工技术也是一个巨大的挑战。体全息波导方案在颜色均匀性(无彩虹效应)和实现单片全色波导方面具有优势，但目前在大批量生产和大视场方面受到限制。

图1示出了波导方案的基本显示原理。耦合输入区用于将微型投影仪的光束耦合到波导中，使光束满足波导中全反射传播的条件，耦合输出区用于将波导中全反射传播的光束耦合出波导并传输到人眼。耦合区域可以是镜子、棱镜、浮雕光栅、体全息光栅等。耦合输出区域可以是阵列半透明反射镜、浮雕光栅、体全息光栅等。本文将进一步阐述波导方案和衍射波导加工技术，并介绍龙井光电子在这一领域的相关研究和发展。

图1:波导方案示意图

2.几何波导方案

2.1锯齿波导

它的基本原理是通过在眼睛前面的位置使用具有一定反射率的锯齿状反射表面将光反射并耦合到人眼。

图2:第一种之字形波导的光模块图

图3:第二锯齿形波导板的光模块图

图4:部分锯齿形结构图

图2是具有锯齿斜率的结构

[1]

螺旋齿结构如图4所示。波导芯片中传输的虚像从锯齿结构反射到人眼中，外部环境光直接进入人眼，不受两个互补锯齿结构的影响。图3结构利用了间隔开的锯齿结构

[2]

，完成虚拟图像和外部环境图像的结合。然而，这种结构中的齿越多，杂散光越多，这也影响对比度并降低成像质量。此外，光仅在锯齿结构上反射一次后就耦合到人眼，如果超过一次反射，它将变成杂散光。如果要改善这种效果，必须增加波导板的厚度。同时，在多个锯齿结构上涂覆无疑增加了工艺难度。图3所示结构的问题是能量利用率相对较低，因为一些没有锯齿结构的部分不能反射所有的能量，即使未反射的部分被一定角度的偏转遮挡，也不能考虑所有的视角，当视角较大时能量损失尤其明显。

2.2极化阵列波导

Lumus产品如图5(a)所示

[3

]

与上述锯齿波导相比，该方法具有明显的优势，其反射结构覆盖了整个波导。在波导透镜的中间，有一些阵列排列的部分透明和部分反射的薄膜表面，所以我们通常称之为偏振阵列波导技术。因为有多个部分透射和部分反射的表面，每个表面将反射和耦合部分光线出波导并进入人眼，其余光线将被透射并继续在波导中前进。然后这部分前进的光再次遇到另一个反射镜，并且重复上述“反射-透射”过程，直到反射镜阵列中的最后一个反射镜将所有剩余的光反射出波导并进入人眼。如图5(b)所示，反射光可以被“调整”成更加均匀。

(a)

(b)

图5:

(a)lumus极化阵列波导产品图；

(二)龙井光电偏振阵列波导光路图。

该技术的瞳孔放大技术设计复杂。设计中应充分考虑杂散光、人眼兼容性和各项性能指标。此外，一致性也是最终用户体验的直观指标。如何控制多层膜的反射和透射率，如何优化整机，如何控制镀膜工艺，可以保证整个眼球运动范围的均匀性，这也是研究的重点。为此，龙井光电开发了极化阵列波导设计软件工具箱，使波导设计更加智能化(一键设计)。在技术方面，我们自主开发了光学加工技术，在性能和成本上具有优势。图6(a)为龙井光电偏振阵列波导的三维模拟光路图。图6(b)显示了我们公司的极化阵列波导产品。

(a)

(b)

(c)

图6:

(一)龙井光电偏振阵列波导三维光路图；

龙井光电极化阵列波导产品；

(三)龙井光电极化阵列波导产品的实际效果图。

[1]。张文军，王志峰和建旭。research on surface-reliefooptical waveguide augmentedralitydisplay device，appl.opt.57，3720-3729(2018)

[2]。徐苗苗，红花。ultrathinoopticalcombinerwith microstructuremirosnaudentrealityproc.spie10676，digitalopticsfor immersivedidisplays，1067614(21 may 2018)；doi.org/10.1117/12.231562

[3]。lumusvision/products/oe33/

3.浮雕光栅波导方案

压纹光栅波导方案是用压纹光栅(srg)代替传统的折射光学器件(roe)作为波导方案中的耦合输入、耦合输出和出射光瞳扩展器件。常用的浮雕光栅主要包括一维光栅，其中包括倾斜光栅、梯形光栅、闪耀光栅和矩形光栅。图7(a)显示了倾斜光栅的扫描电子显微镜(sem)图。二维光栅，例如波导中常用的六边形圆柱光栅结构，在图7(b)中显示为二维圆柱光栅结构的sem照片。光栅结构的特征尺寸都是纳米级的。因此，目前压纹光栅波导的路线主要包括:基于一维光栅的压纹光栅波导方案。示意图如图8(a)所示，分为耦合输入区、转向区和耦合输出区。三个区域均采用一维光栅，分别在转向区和耦合输出区向一个方向扩展，代表全息透镜。基于二维光栅的浮雕光栅波导方案，其示意图如图8(b)所示，分为耦合输入区和耦合输出区。入耦合区的经典结构是一维光栅，出耦合区是二维光栅。它采用多级二维光栅结构，保证光束同时向多个方向耦合输出和扩展。代表性公司是波动光学。图8(c)是二维光栅波导的K域图。内环代表波导板中的全反射条件，外环代表波导板材料可以达到的最大K值。耦合光栅将光束的K值转换到环形区域，即使光束满足在波导板中全反射传播的条件，并且耦合光栅将部分光束的K值从环形区域转换到内环区域，即使光束耦合到人眼。

图9(a)为龙井光电设计的第一代压花光栅波导。采用二维光栅波导方案，龙井光电自主知识产权的浮雕光栅波导正在开发和完善中。图9(b)和图9(c)示出了基于两种压纹光栅波导原理的场跟踪的模拟结果。

图10(a)是微软最新全息透镜2的渲染

[4]

图10(b)是波纹衍射波导的效果图

[5

]

图10(c)是色散x衍射波导的效果图

[6

]

。这三家公司是目前国外浮雕衍射波导的代表性公司。

压纹光栅波导采用光刻工艺处理晶片作为母版，采用纳米压印工艺进行大规模复制和批量生产。

(a)

(b)

图7:

(一)斜栅结构图；

二维圆柱光栅结构图。

(a)

(b)

(c)

图8:

(a)一维光栅波导示意图；

二维光栅波导示意图；

(3)2D光栅K域图。

(a)

(b)

(c)

图9:

(一)龙井光电第一代光栅波导样图；

(二)龙晶光电一维衍射波导场跟踪图；

(3)龙井光电二维衍射波导场迹图。

(a)

(b)

(c)

图10:

微软全息透镜2效果图；

(b)波动光学衍射波导效应图；

(c)c)色散x衍射波导的效应图。

[4]www . Microsoft/zh-cn/holo lens/hardware

[5]。增强的世界/

[6]www . disc lix/

4.体全息波导方案

体全息光栅波导方案利用体全息光栅作为波导的耦合输入和耦合输出器件。体全息光栅是一种周期性结构的光学元件。一般来说，它通过双光束全息曝光直接干涉微米级光敏聚合物薄膜，导致其折射率周期性变化，从而形成纳米级光栅结构，可以衍射入射光。将体全息光栅与波导板相结合，通过设计体全息光栅的相关参数，如折射率n、折射率调制因子和厚度，可以调节体全息光栅的衍射效率。目前，索尼和digilens是采用体全息光栅波导方案的代表性制造商。索尼公司只生产了一种绿色体积全息光栅波导，产品如图11(a)所示

[7

]

，已经停产。目前，数码透镜具有双层全色全息光栅波导，产品如图11(b)所示

[8

]

。图11(c)是我们龙井光电体全息光栅波导的光路模拟验证图，图11(d)是龙井光电开发的单层全色全息光栅波导样品，视场为20°，图12是相应的显示效果。

(a)

(b)

(c)

(d)

图11:

(a)索尼全息光栅波导效果图；

数字透镜全息光栅波导产品效果图；

龙晶光电全息光栅波导场跟踪图；

(4)龙井光电单层全色全息光栅波导样图。

图12:龙井光电单层全色全息光栅波导的实际效果图

[7]。

[8]www . digi lens

5.离轴全息透镜方案

全息激光视网膜投影采用mems激光扫描投影装置和离轴全息透镜相结合，将入射到全息光学元件上的光重定向到人眼，实现虚拟图像显示。Mems激光扫描技术通过改变检流计的方向，使入射光束以不同的方向出射，实现扫描成像。离轴全息透镜将微机电系统扫描光源的发散光转换成会聚光，进入人眼。目前，采用全息透镜方案的代表性厂商是北方，图13(a)是他们的样图

[9

]

，视野只有15。图13(b)是龙井光电制造的离轴全息透镜的光路模拟；图13(c)是龙井光电探索开发的单色离轴全息透镜样品，视场角为45°；图13(d)是相应的显示效果。由于mems是临时购买的普通投影仪，其体积较大且视场角不匹配，通过定制mems投影设备可以显著改善显示效果并减小体积。

(a)

(b)

(c)

(d)

图13:

(一)北方全息透镜产品效果图；

(二)龙晶光电离轴全息光路模拟图；

(三)龙井光电单色离轴全息透镜样图；

龙井光电单色离轴全息透镜的实际渲染。

[9]www . by north

6.衍射光波导的微纳制作

6.1压花光栅波导的制造

如上所述，表面浮雕光栅在尺寸上可分为一维光栅和二维光栅，在结构上可分为直光栅、闪耀光栅和倾斜光栅。由于增强现实光波导用于可见光波段，为了获得较大的衍射效率和视场，其特征尺寸一般为数百纳米甚至数十纳米，其性能对误差的容忍度很小，因此对微纳加工和制备提出了很大的挑战。目前，衍射光波导的制造基本上基于半导体制造工艺(例如光刻和蚀刻工艺)。然而，由于这些方法受到其复杂和昂贵设备的限制，生产成本非常高，并且它们不适合光学模块的大规模制备。

图14是表面浮雕光栅模板制备或小批量制备的工艺流程图，包括其扫描电镜图。对于直格栅，该工艺已经成熟。首先，将抗蚀剂层旋涂在衬底上，并通过干涉曝光或电子束曝光来图案化光栅。然后，通过反应离子蚀刻(rie)或电感耦合等离子体蚀刻(icp)将图案转移到衬底上，并且去除抗蚀剂层以完成直光栅的制备。然而，由于均匀性问题，以全息透镜为代表的倾斜光栅光波导不能直接用反应刻蚀方案制备，因此制备过程复杂，需要用聚焦离子束(fibe)、离子束刻蚀(ibe)和反应离子束刻蚀(ribe)来制备。考虑到效率和一致性，ribe是最合适的方案之一。首先，通过物理或化学方法在衬底上涂覆硬掩模(例如cr)层，然后旋涂抗蚀剂层。图案化也通过干涉曝光或电子束曝光来执行，然后通过氯干蚀刻工艺将抗蚀剂图案转移到cr层。在蚀刻工艺之后，通过氧等离子体方法剥离剩余的抗蚀剂层。接下来，使用基于氟的ribe工艺将离子化的氩离子束以斜角入射到衬底上。反应离子束刻蚀后，采用标准湿法刻蚀工艺去除cr掩膜，得到均匀性良好的倾斜光栅。

图14:表面浮雕光栅模板或小批量制备的工艺流程

基于半导体技术的制造成本昂贵，不适合光栅波导的大规模生产加工。因此，发展衍射光波导的复制工艺以实现大规模生产，并且这种大规模制造工艺依赖于高折射率的光学树脂。目前，magicleap和波光学已经通过相关过程得到了验证。复制过程包括烫印、紫外-纳米压印光刻和微接触印刷(也称为软光刻)。紫外纳米压印光刻是大规模生产表面浮雕光栅波导的常用方法。

具体工艺流程如图15所示，工艺可分为两个阶段:纳米压印工作模具准备阶段和批量生产阶段。首先，通过模板制备工艺将图案加工在硅片上作为模板，通过纳米压印技术将uv树脂旋涂在较大的硅片上，并在其上印刷更多的模板。然后将印刷结构暴露在紫外光下以固定树脂。最后，通过重复上述过程批量生产多图案压印模具。在大规模生产过程中，使用多图案模具生产表面浮雕光栅波导，然后使用功能涂层覆盖波导，通过激光切割技术将波导分开。最后，堆叠不同结构的波导以实现光学模块的制备。

图15:表面浮雕光栅批量复制的批量生产过程

6.2体全息波导的制造

体全息波导的制备是基于干涉曝光，通过激光激发的干涉图样曝光附着在衬底上的光折变材料，材料特性随光强分布而变化，最终得到折射率周期性变化的材料。用于制备体全息波导的材料包括卤化银、重铬酸盐明胶、光敏聚合物、全息聚合物分散液晶和其他奇异材料。体全息图的记录过程相似，但一般曝光只适用于小批量验证。对于大规模生产，有必要开发一种更经济的方案。以索尼和digilens为代表的公司开发了体全息波导的加工流程。

图16示出了用于制备体全息波导的卷对卷工艺。首先，通过双光束干涉曝光法在附着于滚胶上的光敏聚合物薄膜中形成体全息波导；在第二步中，通过注射成型形成高质量的环烯烃聚合物塑料波导。为了获得合格的图像，波导的翘曲必须小于5um，并且有效区域的厚度变化应该小于1um。然后，进行全息光学元件的转移过程，以将全息波导薄膜与塑料波导精确对准并粘贴；然后切割塑料全息波导；最后，在配色过程中，红色和蓝色塑料波导与绿色塑料波导对齐，并用uv树脂封装和固定。在每次加工之前和之后保持塑料基板平坦是一个挑战。图16显示了具有绿色、红色、蓝色和全色塑料的vhg波导的照片。

图16:卷对卷全息波导的制造过程

7.观点

ar技术中的波导方案逐渐成为主流技术，本文详细介绍了几何波导方案(包括锯齿波导方案和涂层阵列波导方案)、压纹光栅波导方案和全息光栅波导方案，还介绍了全息透镜方案，并展示了龙井光电的相关样品。由于体积的限制，棱镜方案、水盆方案和自由曲面方案没有详细介绍。

极化阵列波导方案具有薄、移动范围大、颜色均匀性好的优点，在设计和加工上有很高的技术壁垒。龙井光电多年来一直在该领域进行深度培育，完全实现了从设计到加工的自主化，并率先在国内实现了镀膜阵列波导的批量生产。龙井光电位于神山投资控制时尚品牌产业园的16454平方米生产基地将于今年8月正式投产，这也是偏振阵列波导技术发展的新里程碑。成熟的设计方案和大规模生产能力使得极化阵列波导方案将成为未来五年ar领域的主流方案。

与极化阵列波导方案相比，锯齿波导方案具有相同的加工路线和加工难度，但锯齿波导方案由于杂散光严重、能量利用率低、对比度低和成像分辨率一般，很难成为ar领域的主流方案。

浮雕光栅波导方案具有大视场和大眼球运动范围的优点，并且由于纳米压印的方便性而越来越受到人们的关注。然而，压纹光栅波导的主要问题是:1 .颜色不均匀和彩虹效应；2.由于反射和传输顺序特性，图像信息在波导的两侧耦合输出。3.纳米压印的产量。因此，压纹光栅波导方案很难在短时间内成为主流方案，预计设计方案进一步成熟并提高大批量生产的产量还需要一段时间。龙井光电与湖南大学积极开展压纹光栅波导的生产、教育和研究合作，共同成立了龙井光电微纳米光学研究中心——湖南大学深圳研究所，并积极部署微纳加工设备，在设计和加工上推动压纹光栅波导方案的发展。

体全息光栅波导方案具有颜色均匀性好、易于实现单片彩色波导的优点，但采用全息干涉曝光法加工波导，限制了其大规模生产。同时，需要堆叠多层全息光栅以制造大的fov，这增加了工艺难度，并且需要高密度曝光材料来制造彩色波导，这进一步增加了工艺难度。因此，体全息光栅波导方案很难在短时间内成为ar领域的主流方案。

全息透镜方案采用与全息光栅波导方案相同的全息光栅曝光工艺，具有视场大的优点，但受眼睛运动范围小的影响，仅适用于个别领域。

综上所述，极化阵列波导方案和压纹光栅波导方案是未来的两种主流ar方案，一种代表现在，另一种代表未来。龙井光电率先在国内实现极化阵列波导的大规模生产，并积极部署压纹光栅波导方案，希望能为ar行业的发展尽可能多的发光。