潮科技 | 各種AR光學顯示方案如何評估?這裡有一份來自「瓏璟光電...

編者按：本文來自微信公眾號「瓏璟光電」（ID:Lochn2014），36氪經授權發布。

1、引言

增強現實技術即AR技術是將虛擬信息與現實世界相互融合，屬於下一個信息技術的引爆點，據權威預測增強現實眼鏡將會取代手機成為下一代的協作計算平臺。以增強現實眼鏡為代表的增強現實技術目前在各個行業開始興起，尤其在安防和工業領域，增強現實技術體現了無與倫比的優勢，大大改進了信息交互方式。

目前比較成熟的增強現實技術主要分為稜鏡方案、birdbath方案、自由曲面方案、離軸全息透鏡方案和波導（Lightguide）方案，前三種方案體積較大，限制了其在智能穿戴方面，即增強現實眼鏡方面的應用。全息透鏡方案使用全息片獨一無二的光學特性，具有大FOV和小體積的優勢，但是受限於眼動範圍比較小。

波導是目前最佳的增強現實眼鏡方案。波導方案又分為幾何波導方案、浮雕光柵波導方案和體全息波導方案。幾何波導方案中一般包括鋸齒結構波導和偏振薄膜陣列反射鏡波導（簡稱偏振陣列波導）。其中主流的偏振陣列波導是使用陣列的部分透射部分反射薄膜鏡來達到虛擬信息的顯示的目的，偏振陣列波導方案具有輕薄、眼動範圍大且色彩均勻的優勢。浮雕光柵波導方案可以用納米壓印工藝進行大批量生產，引起了AR光學模組生產產商的極大興趣，它具有大視場和大眼動範圍的優勢，但是也會帶來視場均勻性和色彩均勻性的挑戰，同時相關的微納加工工藝也是巨大的挑戰。體全息波導方案在色彩均勻性（無彩虹效應）和實現單片全彩波導上均有優勢，但是目前在大規模量產和大視場上受到了限制。

圖 1 為波導方案的基本顯示原理，耦入區域用於將微投影光機的光束耦入到波導片中，使得光束滿足在波導片中全反射傳播的條件，耦出區域用於將全反射傳播的光束耦出波導片並傳到人眼。耦入區域可以是反射鏡、稜鏡、浮雕光柵和體全息光柵等。耦出區域可以是陣列半透半反射鏡、浮雕光柵和體全息光柵等。本文將對波導方案和衍射波導加工工藝做進一步的闡述，並介紹瓏璟光電在該領域相關的研發情況。

圖1：波導方案原理圖

2、幾何波導方案

2.1 鋸齒波導

其基本原理為在眼睛前方的位置，利用鋸齒狀的有一定反射率的反射面，將光反射耦出到人眼。

圖2：第一類鋸齒形波導片光學模組圖

圖3：第二類鋸齒形波導片光學模組圖

 

圖4：局部鋸齒形結構圖

圖 2 為一種具有鋸齒斜面的結構[1]，斜齒結構如圖 4 所示。波導片內傳輸的虛擬圖像，從鋸齒結構反射進入人眼，外部環境光，經過互補的兩個鋸齒結構，直接進入人眼而不受到影響。圖3結構利用間隔的鋸齒結構[2]，完成虛擬圖像與外部環境圖像合併。但是這種結構齒數越多雜散光越多，也影響對比度，降低成像質量。而且光線只在鋸齒結構上經過一次反射就耦出到人眼，超過1次將為成為雜散光，如果要改善這種效果，就得增加波導片的厚度。同時多個鋸齒結構上鍍膜無疑增加了工藝難度。圖 3 結構存在的問題就是能量利用率比較低，因為有一部分沒有鋸齒結構不能全部反射能量，即使通過一定的角度偏轉來遮擋不反射的部分，不能兼顧全部視場角，在大視場角時能量損失尤為明顯。

 

2.2 偏振陣列波導

Lumus公司產品如圖 5（a） 所示[3]，這種方法與上述鋸齒的波導相比有明顯的優勢，他的反射結構布滿整個波導片。波導鏡片中間的位置有角度選擇的部分透部分反薄膜面，陣列排布，因此，我們通常稱這種為偏振陣列波導技術。由於有多個部分透射部分反射面，每一個面會將部分光線反射耦出波導進入人眼，剩下的光線透射過去繼續在波導中前進。然後這部分前進的光又遇到另一個鏡面，重複上述的「反射-透射」過程，直到鏡面陣列裡的最後一個鏡面將剩下的全部光反射出波導進入人眼。如圖 5（b）這樣多次的反射，能將出射的光「調整」得比較均勻。

圖5：(a)Lumus偏振陣列波導產品圖;

圖5：(b)瓏璟光電偏振陣列波導光路圖。

 

這項技術的擴瞳技術，設計較為複雜。設計時要充分考慮雜散光，人眼兼容性，各項性能指標。除此之外，均勻性也是最終用戶體驗的直觀指標，如何控制多個膜層的反射和透過率，如何整機優化，如何控制鍍膜工藝，才能保證整個眼動範圍內的均勻性，也是研究的重點。為此瓏璟光電自研偏振陣列波導設計軟體工具箱，使波導片的設計更加智能化（一鍵設計）。工藝上自主研發光學加工工藝，使性能和成本均佔有優勢。圖 6（a）所示為瓏璟光電偏振陣列波導3D仿真光路圖。圖 6（b）所示為我司的一款偏振陣列波導產品圖。

圖6：（a）瓏璟光電偏振陣列波導3D光路圖；

圖6：（b）瓏璟光電偏振陣列波導產品；

圖6：（c）瓏璟光電偏振陣列波導產品實際效果圖。

3、浮雕光柵波導方案

浮雕光柵波導方案即為使用浮雕光柵(SRG)代替傳統的折反射光學器件（ROE）作為波導方案中耦入、耦出和出瞳擴展器件。常用的浮雕光柵主要有一維光柵，其包括傾斜光柵、梯形光柵、閃耀光柵和矩形光柵結構等，圖 7（a）所示為傾斜光柵得掃描電鏡（SEM）圖。二維光柵，如波導中常用的六邊形分布的圓柱光柵結構，圖 7（b）所示為二維圓柱光柵結構的SEM圖。以上光柵結構的特徵尺寸均為納米級。

所以目前浮雕光柵波導的路線主要有：基於一維光柵的浮雕光柵波導方案，原理圖如圖 8（a）所示，分為耦入、轉折和耦出區域，三個區域均採用一維光柵，並在轉折區域和耦出區域分別進行一個方向的擴展，代表產品為HoloLens。基於二維光柵的浮雕光柵波導方案，原理圖如圖 8（b）所示，分為耦入和耦出區域，耦入區域經典結構為一維光柵，耦出區域結構為二維光柵，使用二維光柵結構的多個級次，同時保證光束的耦出和多個方向的擴展，代表公司為WaveOptics。圖 8（c）是二維光柵波導得K域圖，內圈代表波導片中得全反射條件，外圈代表波導片材料所可以達到得最大K值，耦入光柵將光束的K值平移到環形區域，即使得光束滿足在波導片內全反射傳播得條件，耦出光柵將部分光束的K值從環形區域平移到內圈區域，即使得光束耦出到人眼。

圖 9（a）所示為瓏璟光電設計的第一代浮雕光柵波導，採用的二維光柵波導方案，瓏璟光電具有自主智慧財產權的浮雕光柵波導也正在開發完善中。如圖 9（b）和圖 9（c）所示分別為我司做的基於兩種浮雕光柵波導原理的場追跡仿真結果。

圖10（a）為微軟最新的Hololens2的效果圖[4]，圖10（b）為WaveOpics衍射波導得效果圖[5]，圖10（c）為Dispelix衍射波導得效果圖[6]。這三家公司是目前國外浮雕衍射波導方面的代表性公司。

浮雕光柵波導使用光刻工藝加工晶圓作為母版，並使用納米壓印工藝進行大規模的複製量產詳見後文所述。

圖7：(a)傾斜光柵結構圖;

圖7：（b）二維圓柱光柵結構圖。

 

圖8：（a）一維光柵波導原理圖;

圖8：（b）二維光柵波導原理圖; 

圖8：（c）二維光柵K域圖。

圖9：（a）瓏璟光電第一代光柵波導樣品圖;

圖9：（b）瓏璟光電一維衍射波導場追跡圖;

圖9：（c）瓏璟光電二維衍射波導場追跡圖

圖10：（a）微軟Hololens2效果圖；

圖10：（b）Waveoptics衍射波導效果圖；

圖10：（c）Dispelix衍射波導效果圖。

4、體全息波導方案

體全息光柵波導方案採用體全息光柵作為波導的耦入和耦出器件，體全息光柵是一種具有周期結構的光學元件，它一般通過雙光束全息曝光的方式，直接在微米級厚度感光聚合物薄膜內幹涉引起了其折射率周期性變化，從而形成納米級的光柵結構，可以對入射光發生衍射作用。將體全息光柵和波導片結合，通過設計體全息光柵的相關參數(如材料折射率n、折射率調製因子和厚度等)可以調整體全息光柵的衍射效率。目前採用體全息光柵波導方案的代表性廠家有Sony和Digilens，Sony只出過一款單綠色的體全息光柵波導，產品如圖11（a）所示[7]，現已停產。Digilens目前有雙層全彩體全息光柵波導，產品如圖11（b）所示[8]。圖11（c）是我瓏璟光電體全息光柵波導的光路仿真驗真圖，圖11（d）是瓏璟光電研發的單層全彩全息光柵波導樣品，視場角20°，圖12是相應的顯示效果。

圖11：（a）Sony全息光柵波導效果圖;

圖11：（b）Digilens全息光柵波導產品效果圖;

圖11：（c）瓏璟光電全息光柵波導場追跡圖;

圖11：（d）瓏璟光電單層全彩全息光柵波導樣品圖。

 圖12：瓏璟光電單層全彩全息光柵波導實際效果圖

5、離軸全息透鏡方案

全息雷射視網膜投影採用MEMS雷射掃描投影器件和離軸全息透鏡組合的方式，將入射到全息光學元件上的光線重新定向入射至人眼實現虛擬圖像的顯示。MEMS雷射掃描技術通過改變振鏡取向使得入射光束朝不同方向出射來實現掃描成像，離軸全息透鏡會將MEMS掃描光源的發散光轉變成匯聚光進入人眼。目前採用全息透鏡方案的代表性廠家是North，圖13（a）是他們的樣品圖[9]，視場角只有15°。圖13（b）是瓏璟光電做的離軸全息透鏡光路仿真，圖13（c）是瓏璟光電探究性研發單色離軸全息透鏡樣品，視場角45°，圖13（d）是相應的顯示效果，由於MEMS是臨時購買的普通投影儀，體積較大且視場角不匹配，後續可通過定製MEMS投影器件顯著提升顯示效果並減小體積。

圖13：（a）North全息透鏡產品效果圖;

圖13：（b）瓏璟光電離軸全息光路仿真圖;

圖13：（c）瓏璟光電單色離軸全息透鏡樣品圖;

圖13：（d）瓏璟光電單色離軸全息透鏡實際效果圖。

6. 衍射光波導的微納製造

6.1 浮雕光柵波導製造

如上所述，表面浮雕光柵從維度上可分為一維和二維光柵，而在結構上可分為直光柵、閃耀光柵和傾斜光柵。由於增強現實光波導用於可見光波段，為了實現較大的衍射效率和視場角，其特徵尺寸一般在數百納米，甚至幾十納米，且其性能對誤差容忍度較小，所以對微納加工製備提出了很大的挑戰。目前的衍射光波導製備基本都是基於半導體製備工藝（如光刻、刻蝕工藝）完成。但是，由於這些方法受其複雜、昂貴的設備的限制，生產成本非常高，不適合光學模組的大批量製備。

圖14所示為表面浮雕光光柵模板製備或小批量製備工藝流程圖，包括其掃描電鏡圖。對於直光柵，其工藝較為成熟，首先在基底上旋塗抗蝕劑層，通過幹涉曝光或電子束曝光實現光柵的圖案化，之後利用反應離子刻蝕（RIE）或電感耦合等離子體刻蝕（ICP）將圖案轉移到基底，並將抗蝕劑層去除，完成直光柵的製備。而由於均勻性問題導致以HoloLens為代表的斜光柵光波導無法直接採用反應型刻蝕方案準備，所以製備工藝較為複雜，需要採用聚焦離子束（focused ion beam etching，FIBE）、離子束刻蝕(ion beam etching，IBE)、反應離子束刻蝕(reactive ion beam etching，RIBE)技術所製備。綜合考慮到效率和均勻性，RIBE是其中較合適的方案。首先，將基底上通過物理或化學方法鍍一層硬掩模（如Cr）層，之後旋塗一層抗蝕劑層。同樣利用幹涉曝光或電子束曝光進行圖案化，之後通過氯幹刻蝕工藝將抗蝕劑圖案轉移到Cr層。在刻蝕工藝之後，用氧等離子體法剝離剩餘的抗蝕劑層。接下來使用基於氟基的RIBE工藝用電離的氬離子束以傾斜的角度入射基底。在反應離子束刻蝕之後，通過標準的溼法刻蝕工藝去除Cr掩模，獲得具有出色均勻性的斜光柵。

圖14：表面浮雕光柵模板或小批量製備工藝流程

 

上述基於半導體工藝的製備成本昂貴，不適合光柵波導量產加工。因此，衍射光波導的複製工藝隨即被開發出來以便實現大批量生產，而這這種大規模的製造工藝依賴於高折射率的光學樹脂，目前Magic Leap和WaveOptics已經進行相關工藝的驗證。複製工藝包括熱壓法（hot embossing）、紫外線納米壓印光刻法（UV-nano imprint lithography）和微接觸壓印法（micro contact printing，亦被稱為軟光刻）。其中紫外線納米壓印光刻是表面浮雕光柵波導批量生產中的常用方法。

具體工藝流程如圖15所示，該工藝可分為兩個階段：納米壓印工作模具製備階段和批量生產階段。首先，通過上述模板製備工藝將圖案加工到矽晶圓上以用作模板，通過納米壓印技術在更大的矽晶片上旋塗UV樹脂並在上面印刷更多的模板。然後使用紫外線對印刷的結構進行曝光以固定樹脂。最後通過重複上述過程批量生產多圖案的壓印模具。在批量生產的過程中，使用多圖案的模具來生產表面浮雕光柵波導，然後使用功能性塗層覆蓋波導，並用雷射切割技術分離，最後將不同結構的波導堆疊實現光學模組的製備。

圖15：表面浮雕光柵大批量複製量產工藝

 

6.2 體全息波導製造

體全息波導的製備基礎是幹涉曝光，通過使用雷射激發的幹涉圖案曝光附著在基底上的光敏折射材料，材料特性根據光的強度分布而變化，最後獲得具有折射率周期性變化特性的材料。製備體全息波導的材料包括滷化銀、重鉻酸鹽明膠、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。對於體全息圖的記錄過程大都相似，但是一般的曝光僅適用於小批量驗證，而對於大批量生產，需要開發更加經濟的方案，以Sony和DigiLens為代表的公司開發了體全息波導的加工工藝流程。

如圖 16 展示了製備體全息波導的卷對卷（roll-to-roll）工藝。首先，使用雙束幹涉曝光法在附著在卷膠上的光敏聚合物膜內形成體全息波導；第二步，通過注射成型法形成高質量的環烯烴聚合物塑料波導。為了獲得合格的圖像，波導的翹曲必須小於5um，並且有效區域的厚度變化應小於1um。然後進行全息光學元件的轉移工藝以將全息波導膜準確地與塑料波導對準粘貼；之後將塑料全息波導進行切割；最後在配色過程中，將紅、藍塑料波導與綠色塑料波導對準並用UV樹脂將其封裝固定。塑料基底在每次加工之前和之後都均應保持平坦是衝壓和配色過程中都面臨的挑戰。圖 16 展示了帶有綠色、紅色、藍色以及全色塑料VHG波導的照片。

 

圖16：卷對卷體全息波導製備工藝

 

7、展望

AR技術中的波導方案逐漸成為主流技術，所以本文對幾何波導方案（包括鋸齒波導方案和鍍膜陣列波導方案）、浮雕光柵波導方案、全息光柵波導方案做了詳細介紹，同時也介紹了全息透鏡方案，並展示了瓏璟光電的部分相關樣品。稜鏡方案、Birdbath方案和自由曲面方案由於體積因素的限制本文未做詳細介紹。

偏振陣列波導方案具有輕薄、大眼動範圍和色彩均勻性好的優點，在設計和加工均有很高的技術壁壘，瓏璟光電在此領域深耕多年，完全實現了從設計到加工的自主化，在國內實現了鍍膜陣列波導的大規模量產。成熟的設計方案和大規模的量產能力使得偏振陣列波導方案在未來五年內都將是AR領域的主流方案。

鋸齒波導方案相對於偏振陣列波導方案，加工工藝路線相同，工藝難度一致，但是鋸齒波導的雜光嚴重，能量利用率低，對比度低，成像解析度一般，所以使得鋸齒波導方案在AR領域難以成為主流方案。

浮雕光柵波導方案具有大視場和大眼動範圍的優勢，同時由於納米壓印的便利性，受到了越來越多的關注。但是浮雕光柵波導目前的主要問題有，1、色彩不均勻和彩虹效應；2、反射和透射級次特性所導致的波導片正反兩側均有圖像信息耦出；3、納米壓印的良率問題。所以短時間內浮雕光柵波導方案很難成為主流方案，設計方案的進一步成熟和量產良率的提升預計還需要一定的時間。瓏璟光電與湖南大學積極開展浮雕光柵波導的產學研合作，合作創建了瓏璟光電-湖南大學深圳研究院微納光學研究中心，積極部署微納加工設備，在設計與加工方面推動浮雕光柵波導方案的發展。

體全息光柵波導方案具有色彩均勻性好和易於實現單片彩色波導的優勢，但是其採用全息幹涉曝光的方法進行波導片的加工，限制了其大規模的量產。同時，做大FOV需要疊加多層全息光柵，增加了工藝難度，做彩色波導片需要高密度的曝光材料，進一步增加了工藝難度。所以，體全息光柵波導方案在AR領域也很難短時間內成為主流方案。

全息透鏡方案使用和全息光柵波導方案相同的全息光柵曝光工藝進行加工，具有大FOV的優勢，但是受限於眼動範圍太小的影響，只在個別領域有所應用。

綜上所述，偏振陣列波導方案和浮雕光柵波導方案是目前兩個最有前景的主流AR方案，一個代表著現在，一個代表著未來。瓏璟光電率先在國內實現偏振陣列波導的大規模量產，同時積極部署浮雕光柵波導方案。

參考內容：

[1]. Wenjun Zhang, Zhifeng Wang, and Jian Xu, "Research on a surface-relief optical waveguide augmented reality display device," Appl. Opt. 57, 3720-3729 (2018)

[2]. Miaomiao Xu, Hong Hua, "Ultrathin optical combiner with microstructure mirrors in augmented reality," Proc. SPIE 10676, Digital Optics for Immersive Displays, 1067614 (21 May 2018); https://doi.org/10.1117/12.231562

[3]. https://lumusvision.com/products/oe33/

[4]. https://www.microsoft.com/zh-cn/hololens/hardware

[5]. https://enhancedworld.com/

[6]. https://www.dispelix.com/

[7]. https://image.baidu.com

[8]. www.digilens.com

[9]. www.bynorth.com