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AWE 演讲 | 至格科技CEO 孟祥峰：AR衍射光波导产业化

Bysun, keting

Aug 31, 2022
8月26-27日，2022世界XR产业博览会（简称“AWE Asia 2022”）在中国上海盛大开幕。本届大会由Sunrise昕途国际主办、影创科技协办、ARinChina作为官方合作媒体加盟。本届AWE Asia 2022以“虚实共元”为主题，汇聚70+位国内外大咖共话X。这是一场最具前瞻性的行业盛会，演讲涉及空间计算、AR、VR、MR、元宇宙、5G等主题。
自2010年以来，AWE （Augmented World Expo）以位居世界第一的AR + VR行业盛会享誉全球，活动遍及欧洲、亚洲、北美洲，吸引了10,000+与会者参加。如今，AWE XR行业盛会来到中国，将与全球范围内的从业者探路XR产业新走向。在这里，将汇聚众多国内外首席执行官、首席技术官、设计师、开发人员、创意机构、未来学家、分析师、投资者和顶级媒体，为人们提供了一场集学习、合作、创新、体验于一体的行业盛会。
会上，至格科技CEO 孟祥峰带来了“AR衍射光波导产业化”主题演讲：

AWE 演讲 | 至格科技CEO 孟祥峰：AR衍射光波导产业化

图源：ARinChina

大家好，我是至格科技的孟祥峰。今天我要和大家分享的报告题目是AR衍射光波导产业化。
报告主要分为以下三部分：AR近眼显示技术概述、AR衍射光波导的设计和制造，以及至格在AR衍射光波导领域产业化的进展。
首先是第一部分，AR近眼显示技术的概述。
AR眼镜所代表的沉浸式计算平台被认为是继电脑和手机之后的下一代计算平台。微软、苹果、Meta、谷歌、华为、OPPO、小米、字节等国内外巨头都在积极布局AR眼镜产业。我们相信在巨头的推动下，AR眼镜市场即将迎来爆发式增长。
AR眼镜与手机以及其他智能硬件最大的区别就是近眼显示部分，它需要让消费者在看到现实世界的同时看到虚拟图像，实现虚拟与现实的融合。因此光学显示模组是整个AR眼镜的核心，也是主要技术瓶颈之一，其成本占AR眼镜整体成本的40%以上。所以我们认为在AR眼镜迎来爆发式增长的同时，也会对光学显示模组产生巨大的需求。
从消费者对AR眼镜的需求中，我们可以分析得出AR近眼显示的三大关键点和发展趋势。
第一，作为一个日常佩戴的新硬件，消费者希望能够佩戴舒适并且能够适配不同人的瞳距。这就需要AR近眼显示能够足够轻薄，同时还要具备足够大的眼动范围。
第二，作为一个沉浸式的设备，需要有足够强的沉浸感。这就需要AR近眼显示有足够大的视场角以及足够大的眼动范围。
第三，作为一个能够快速普及的设备，还需要有足够亲民的价格。这就需要AR近眼显示有足够强的量产性，量产成本足够低。

AWE 演讲 | 至格科技CEO 孟祥峰：AR衍射光波导产业化

图源：ARinChina
我们对比分析了市场上各种近眼显示的技术路线，包括传统的基于几何光学的半透半反技术路线，以及现在比较新兴的基于衍射光学的光波导技术路线。最后综合发现，衍射光波导具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产成本低的优势。因此至格所采用的就是衍射光波导技术路线。国际上像苹果、微软、Meta也在积极布局衍射光波导技术路线。
衍射光波导被普遍认为是AR行业未来的主流显示技术路线，被誉为开启AR眼镜市场的金钥匙。
 
第二部分，我将具体介绍一下衍射光波导的设计和制造。
 
衍射光波导在发展方面存在三大技术难点，分别是视场角、彩色均匀性以及能量利用率。
视场角方面，至格团队根据多年技术攻关和产品迭代经验，得出一个初步结论就是衍射光波导的视场角决定于材料的折射率，材料折射率越高视场角就越大。这也是我们经常能听到衍射光波导需要采用高折材料的原因。但高折射率材料也会带来新的问题，第一，高折材料尚未成熟。第二，高折材料可能会存在吸收。第三，由于高折材料的硬度比较高，制造加工会比较困难。
彩色均匀性方面，我们经常会听到衍射光波导存在一些色散问题。这是因为衍射光波导是基于衍射光栅技术，而光栅本身就是一个色散器件，它对不同波长的光的响应非常不同。因此单层衍射光波导很难耦入多色光，需要采用多层衍射光波导才能兼容不同颜色的光。然而多层衍射光波导又会带来新的技术难点。第一，角度均匀性和位置均匀性要匹配。第二，不同光栅的衍射效率要匹配。第三，还需要抑制多层光栅之间的串扰。
能量利用率方面，我们经常会听到媒体在讲衍射光波导的能量利用率比较低，这里实际存在一个认知误区。衍射光波导能效的高低主要是由扩瞳决定的。因为衍射光波导不仅是一套将投影光机中的图像平行转移到人眼的系统，同时它还是一套通过光瞳复制进行扩瞳的系统。衍射光波导可以将4到5毫米口径的投影光机的出瞳扩展到数十毫米口径，并将光能平均分配到每个出瞳位置上，所以单位面积上的能量自然就少了。因此，扩瞳倍率越大，能量利用率就越低。那么要怎样提高能量利用率呢？第一，要在满足扩瞳需求的基础上，不要追求过大的扩瞳。第二，在满足一定扩瞳倍率的基础上，尽量提高光栅的衍射效率，进而来提高能效。
经过多年的探索与研究，至格在衍射光波导的设计和制造过程中，正在不断地解决以上三大技术难点。
在衍射光波导设计方面，由于光栅是一种具有周期性纳米结构的衍射光学元件，因此其衍射特性需要基于严格的电磁学理论进行计算。目前比较通用的方法，是我的博士导师李立峰教授推广的傅里叶模态法。它可以对局部的光栅结构进行严格的电磁场衍射仿真，来精确求解衍射特性。另外，由于衍射光波导不是一块单独的光栅，而是由多块光栅组成的光栅系统，并且光线会在不同光栅之间反复与光栅进行交互。因此，还需要采用类似几何光学的光线追迹算法进行全局优化，来构建视场、眼动范围、彩色均匀性以及能量利用率。
有了设计，接下来就要对衍射光波导进行制造。通常可以采用半导体的光刻和刻蚀工艺进行加工，但制造成本非常高。因此，我们需要采用纳米压印的批量复制工艺来降低产品的量产成本。整个衍射光波导制造主要分为两大环节，第一，制造用于进行纳米压印的模具，即光栅母版。第二，基于光栅母版，不断通过纳米压印的转印来生成产品，进而提高量产性，降低量产成本。
在光栅母版加工方面，主要采用半导体的光刻和刻蚀工艺。首先需要准备基板，旋涂光刻胶，其次通过全息或电子束光刻，来得到潜像光栅，再通过显影得到光刻胶掩模光栅。然后通过离子束刻蚀，将掩模的形貌传递到基底里。最后通过清洁处理，去除残余的光刻胶，这样就得到了我们想要的浮雕光栅结构，即为光栅母版。
有了母版，接下来就需要通过纳米压印来进行转印生产。至格团队探索出了一套可以大规模量产并且具有很高良率的纳米压印生产工艺流程。首先需要进行晶圆清洗、匀烤胶，其次通过纳米压印、真空镀膜，来得到具有微纳结构的晶圆，然后再通过镜片切割、清洗、贴合以及封边工艺将晶圆加工成AR眼镜镜片。以上工艺流程中的核心工艺是纳米压印工艺。
 
第三部分，我将介绍一下至格在衍射光波导产业化方面取得的一些进展。
 
首先，至格是由清华大学精密仪器系孵化出的高新技术企业。依托于清华大学二十余年的光栅领域科研成果进行产业转化，已经自主掌握了“光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产”三大核心技术。
光栅设计方面，至格拥有自主研发的基于光栅矢量计算与光线追迹相融合的衍射光波导设计软件，相比于国外商用软件，具有计算速度快、计算精度高、设计自由度高三大优势，不仅能够快速、准确地完成光栅设计，而且还能设计很多商用软件无法设计的复杂光栅结构。
光栅母版加工方面，至格掌握了基于全息光刻和离子束刻蚀的完整的光栅母版加工工艺，并已建成功能完备的光栅母版加工中心，这在国内是首屈一指的。并且我们可以实现各种复杂结构光栅母版的快速加工和迭代。
纳米压印生产方面，至格已建成国内首条AR衍射光波导量产产线，并且打通了全部的生产工艺环节，并已实现批量生产交付，具备了消费级大客户的量产交付经验。
通过将光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产三者融为一身，我们可以实现产品和技术的快速迭代，进而能够快速赶超国际领先水平，同时也可以为客户提供从外形到性能全方位可定制的AR衍射光波导产品。
至格的AR衍射光波导产品具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产性强、显示效果优秀的优势，经过不断迭代优化，至格的产品性能指标和显示效果均已达到行业领先水平，且已获得多家消费电子巨头的认可。今年，OPPO上市了全球首款消费级AR衍射光波导智能眼镜OPPO Air Glass，其衍射光波导镜片就是由至格独家研发并量产提供的。
至格的商业模式和定位是做消费电子巨头的核心供应商。我们可以为客户提供从光栅到衍射光波导，再到衍射光波导光学显示模组的各种标准化和定制化的产品。热忱期待与各界朋友携手合作，共创AR产业的未来。谢谢大家！
 
 
文章来源：ARinChina

原文始发于微信公众号（至格AR）：AWE 演讲 | 至格科技CEO 孟祥峰：AR衍射光波导产业化

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