光波導(dǎo)是一種光學(xué)技術(shù)，在光通信、激光領(lǐng)域應(yīng)用較多。簡單的來說就是光在特定設(shè)計的材料器件結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)光的定向傳播，應(yīng)用的是全反射原理，中心用折射率大的材料，四周用折射率小的材料，就可以束縛光在介質(zhì)中傳播。
光波導(dǎo)在AR技術(shù)中，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認(rèn)為是消費級AR眼鏡的必選光學(xué)方案。
增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)與虛擬現(xiàn)實(VR)是近年來廣受關(guān)注的科技領(lǐng)域,它們的近眼顯示系統(tǒng)都是將顯示器上的像素, 通過一系列光學(xué)成像元件形成遠(yuǎn)處的虛像并投射到人眼中。
不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統(tǒng)不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學(xué)組合器(optical combiner)，通過“層疊”的形式，將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補(bǔ)充，互相“增強(qiáng)”。
微型顯示屏用來為設(shè)備提供顯示內(nèi)容。它可以是自發(fā)光的有源器件，比如發(fā)光二極管面板：Micro-OLED和Micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，還有基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的數(shù)字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和激光束掃描儀(LBS)。
光波導(dǎo)技術(shù)是應(yīng)AR眼鏡需求而生的一個比較有特色的光學(xué)組件，因它的輕薄與外界光線的高穿透特性而被認(rèn)為是消費級AR眼鏡的必選光學(xué)方案。因為有了波導(dǎo)這個傳輸渠道，可以將顯示屏和成像系統(tǒng)遠(yuǎn)離眼鏡移到額頭頂部或者側(cè)面，這極大降低了光學(xué)系統(tǒng)對外界視線的阻擋，并且使得重量分布更符合人體工程學(xué)，從而改善了設(shè)備的佩戴體驗。
光波導(dǎo)總體上可以分為幾何光波導(dǎo)(Geometric Waveguide)和衍射光波導(dǎo)(Diffractive Waveguide)兩種，幾何光波導(dǎo)就是所謂的陣列光波導(dǎo)，其通過陣列反射鏡堆疊實現(xiàn)圖像的輸出和動眼框的擴(kuò)大，代表光學(xué)公司是以色列的Lumus，國內(nèi)的瓏璟光電、亮亮視野、谷東科技、鴻蟻光電等也有生產(chǎn)。
衍射光波導(dǎo)主要有利用光刻技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導(dǎo)(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技術(shù)制造的全息體光柵波導(dǎo)(Volumetric Holographic Grating)，HoloLens 2、Magic Leap One均屬于前者，全息體光柵光波導(dǎo)則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵，蘋果公司收購的Akonia公司采用的便是全息體光柵，另外致力于這個方向的還有Digilens。這個技術(shù)還在發(fā)展中，色彩表現(xiàn)比較好，但目前對FOV的限制也比較大。
波導(dǎo)的種類: (a) 幾何式光波導(dǎo)和“半透半反”鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導(dǎo)和表面浮雕光柵的原理示意圖, (c) 衍射式光波導(dǎo)和全息體光柵的原理示意圖。
衍射光波導(dǎo) (Diffractive Waveguide)，AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀，真正走向消費市場，衍射光波導(dǎo),具體說表面浮雕光柵方案是目前的不二之選。
浮雕光柵波導(dǎo)使用光刻工藝加工晶圓作為母版，并使用納米壓印工藝進(jìn)行大規(guī)模的復(fù)制量產(chǎn)。
衍射光波導(dǎo)的微納制造，浮雕光柵波導(dǎo)制造
表面浮雕光柵從維度上可分為一維和二維光柵，而在結(jié)構(gòu)上可分為直光柵、閃耀光柵和傾斜光柵。由于增強(qiáng)現(xiàn)實光波導(dǎo)用于可見光波段，為了實現(xiàn)較大的衍射效率和視場角，其特征尺寸一般在數(shù)百納米，甚至幾十納米，且其性能對誤差容忍度較小，所以對微納加工制備提出了很大的挑戰(zhàn)。目前的衍射光波導(dǎo)制備基本都是基于半導(dǎo)體制備工藝(如光刻、刻蝕工藝)完成。但是，由于這些方法受其復(fù)雜、昂貴的設(shè)備的限制，生產(chǎn)成本非常高。
斜光柵光波導(dǎo)無法直接采用反應(yīng)型刻蝕方案準(zhǔn)備，所以制備工藝較為復(fù)雜，需要采用聚焦離子束(focused ion beam etching,FIBE)、離子束刻蝕(ion beam etching,IBE)、反應(yīng)離子束刻蝕(reactive ion beam etching,RIBE)技術(shù)所制備。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(xué)方法鍍一層硬掩模(如Cr)層，之后旋涂一層抗蝕劑層。同樣利用干涉曝光或電子束曝光進(jìn)行圖案化，之后通過氯干刻蝕工藝將抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到Cr層。在刻蝕工藝之后，用氧等離子體法剝離剩余的抗蝕劑層。接下來使用基于氟基的RIBE工藝用電離的氬離子束以傾斜的角度入射基底。在反應(yīng)離子束刻蝕之后，通過標(biāo)準(zhǔn)的濕法刻蝕工藝去除Cr掩模，獲得具有出色均勻性的斜光柵。
具體工藝流程如圖所示，該工藝可分為兩個階段：納米壓印工作模具制備階段和批量生產(chǎn)階段。首先，通過上述模板制備工藝將圖案加工到硅晶圓上以用作模板，通過納米壓印技術(shù)在更大的硅晶片上旋涂UV樹脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外線對印刷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行曝光以固定樹脂。最后通過重復(fù)上述過程批量生產(chǎn)多圖案的壓印模具。在批量生產(chǎn)的過程中，使用多圖案的模具來生產(chǎn)表面浮雕光柵波導(dǎo)，然后使用功能性涂層覆蓋波導(dǎo)，并用激光切割技術(shù)分離，最后將不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)堆疊實現(xiàn)光學(xué)模組的制備。
浮雕光柵波導(dǎo)方案具有大視場和大眼動范圍的優(yōu)勢，同時由于納米壓印的便利性，受到了越來越多的關(guān)注。但是浮雕光柵波導(dǎo)主要問題有：
1、色彩不均勻和彩虹效應(yīng)；
2、反射和透射級次特性所導(dǎo)致的波導(dǎo)片正反兩側(cè)均有圖像信息耦出
3、納米壓印的良率問題。
2022年11月18日，艾邦將于上海舉辦第二屆AR/VR產(chǎn)業(yè)鏈高峰論壇，屆時，納米壓印設(shè)備及技術(shù)廠商天仁微納和光舵微納將帶來精彩演講，探討以上問題的解決方案。同時瓏璟光電將帶來《AR光波導(dǎo)技術(shù)剖析》主題演講，敬請參與，共同探討！
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：一文了解微納光學(xué)在AR眼鏡中的應(yīng)用
