一文看透几种AR光波导方案原理、制程、难点、优势及主要玩家.....

光波导因具有体积/透光率/清晰度等优势明显，有望成为主流AR光学方案。

据悉，光波导AR眼镜包括显示模组、波导片和耦合器三部分，显示模组发出的光线通过耦入器件进入光波导，在波导内以全反射的形式向前传播，最后通过耦出器件耦出光波导进入人眼成像。

按照耦入耦出器件的不同，光波导可分为几何光波导和衍射光波导，其中几何光波导以阵列光波导为主导，衍射光波导又分为表面浮雕光栅光波导（SRG）和体全息光波导（VHG）。

AR光波导方案

光波导方案在体积、透光率、清晰度、视场角等方面均具备优势，有望成为主流AR光学方案。

阵列光波导：成像效果优秀，量产难度较大

• 阵列光波导：成像效果优秀，二维扩瞳解决了光机体积与视场角、EyeBox的矛盾。

1. 一维扩瞳：光线通过反射镜耦入波导片，在波导片中经过多轮全反射后到达半透半反镜面，部分光线反射耦出进入人眼，未耦出光线透过镜面到达下个镜面，重复反射/透射过程，直至最后一个镜面将剩余光线全部耦出到人眼。一维扩瞳阵列光波导能将EyeBox从4mm扩大到10mm+，且杂散光少，光线调制均匀，成像质量、色彩以及对比度水平较高。

   阵列光波导原理（一维扩瞳）

   

2. 二维扩瞳：在两个区域分别设置反射阵列，第一个区域实现一个方向的扩瞳，同时将光束传导至第二个区域，进行另一个方向的扩瞳，可以是纵向→横向扩瞳，也可以是横向→纵向扩瞳。二维扩瞳阵列光波导解决了光机体积与视场角、EyeBox的核心矛盾，能够有效增加EyeBox和视场角（可达50%+），显著减小光机体积，更好地满足消费级用户对AR眼镜的形态体积以及成像效果的要求。

   阵列光波导二维扩瞳

   

3. 优势总结：阵列光波导除了拥有光波导共有的轻薄化优势外，相比于已量产的表面浮雕光栅衍射光波导，其成像效果更为优秀（杂散光少/色彩均匀/EyeBox&视场角较大/分辨率高），几乎无漏光问题（1%-5%），且光损较低，可以减小光机功耗增加续航。

• 核心问题：量产难度大，明暗条纹影响美观。

1. 量产难度大：阵列波导制作涉及镜面镀膜、贴合、切割等流程，阵列镜面膜层多达几十层且每个镜面反射/透射比不同，需要镀不同层数的膜，贴合合时多镜面间平行度要求极高，总良率难以保证，此外，贴合后的切割角度也会影响成像质量。若采用二维扩瞳技术，量产难度进一步提升，理论上量产成本比一维扩瞳高4-5倍。

   阵列光波导制备过程

   

2. 明暗条纹：半透半反镜面阵列天然存在明暗条纹，影响美观。

• 技术升级关键：

1）键合技术升级：分子键合技术代替传统胶水贴合，即利用分子间范德华力使镜片紧密平整地贴合，加强键合强度、提升贴合面平整度，且不受胶水折射率影响，由于贴合玻璃片数量较多、精度要求较高，实际工艺流程中仍有较大难度。

 2）镀膜、键合等核心环节自动化设备的开发；

3）支持屈光度定制，代替外加近视镜片的方案，更加轻薄化。

• 阵列光波导主要玩家：

1. Lumus：全球阵列光波导龙头，与Meta、苹果等密切合作。率先提出二维扩瞳阵列光波导技术，先后推出Maximus和Z-Lens两款二维产品，Z-lens分辨率2K*2K，亮度3000nit，FOV 50°，光机体积缩小约50%，可粘合动态聚焦透镜（缓解VAC问题）和近视镜片，无漏光炫光问题。

   阵列光波导主要玩家梳理

   

2. 水晶光电：2016年参与Lumus B轮融资，与Lumus、肖特共同推动二维阵列光波导量产落地。

3. 其他国内厂商：灵犀微光、珑璟光电、理湃光晶、谷东科技等厂商在阵列波导均有布局，量产年产能在10万片左右，主要针对一维扩瞳产品，二维产品处于小批量/在研阶段。

表面浮雕光波导：量产难度较低，彩虹效应等问题亟待解决

• 成像原理：

1. 表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）：具有周期性变化结构/凹槽的光栅结构，一般分为一维光栅（矩形光栅/倾斜光栅/闪耀光栅等）和二维光栅（柱状光栅等）。

   表面浮雕光栅种类

   

2. 衍射原理：光束入射光栅后会被分束为多个不同方向的衍射级次，通过调节光栅周期/占空比/深度等参数优化衍射效率，能使得某个方向的衍射光束具有最高衍射效率（通常选择非0衍射级次作为工作级次），实现光束定向传输。

   衍射原理

   

3. 表面浮雕光波导原理：基于上述衍射原理，通过表面浮雕光栅耦入波导片，在波导片中全反射后通过表面浮雕光栅耦出进入人眼，实现一维扩瞳，二维扩瞳一般通过转折光栅或二维光栅实现。

表面浮雕光栅光波导原理

• 衍射光波导二维扩瞳：

1. 转折光栅：转折光栅二维扩瞳IP主要由微软和Vuzix持有，体全息光波导厂商Digilens也采用类似的转折光栅技术，如下图，光束从入射光栅进入转折光栅，转折光栅实现水平扩瞳的同时将光束反射进入出射光栅，最终由出射光栅完成垂直扩瞳和耦出过程。

   转折光栅二维扩瞳

   

2.  二维光栅：以WaveOptics柱状光栅扩瞳为例，光束通过入射光栅进入波导片后，通过出射光栅（二维光栅）实现多方向的扩束以及光束的耦出。二维光栅设计难度非常高，需要控制耦出光线的均匀性，相比于转折光栅，二维光栅扩瞳减少了光损耗，增大了出射光栅面积，有效扩大EyeBox范围。

二维光栅二维扩瞳

• 表面浮雕光波导量产难度较低：

1）母版制备：基于半导体加工工艺，旋涂抗蚀剂层—干涉/电子束曝光—反应离子刻蚀—去除抗蚀剂层。

2）批量生产：一般采用紫外线纳米压印光刻法批量生产，母版—步进母版—旋涂压印胶—结构压印—紫外线曝光固化—功能性图层覆盖波导—激光切割。

• 前沿工艺：

1. 残胶层控制：纳米压印过程中往往会留下残胶层，而残胶层对光学性能有影响，因此需要尽量减小甚至去除残胶层，2023年Digilens发布的SRG+工艺能够实现无残胶层的SRG结构。

   

2. 纳米压印+刻蚀（NIL+Etching）：将低折射率树脂作为后期干法刻蚀的可牺牲层，纳米压印后用干法刻蚀将残胶层刻透并刻蚀至下方玻璃层，再将树脂纳米压印胶去除。这种工艺的光栅折射率RI可达2.0以上，可靠性更高，但工艺难度和成本都更高。

• 材质：树脂vs玻璃。树脂密度仅为玻璃的1/4-1/3，且具备抗摔等特性，23年魅族、努比亚等AR眼镜均采用树脂SRG光波导。树脂的缺陷在于折射率低，树脂折射率普遍为1.74，而玻璃材质可达2.0，影响fov和色彩均匀性。从成本角度，树脂成本理论上较玻璃低，但由于目前良率较低，成本优势并不明显。

• 核心问题：彩虹效应， 视场角小，光效低，漏光。

1. 彩虹效应：相同的光栅周期，波长越长衍射角越大（R>G>B），因此不同波长的TIR（Total internal reflection）往返长度不同，反弹次数不同（R<G<B），红光fov被限制在较低范围内，而蓝光fov相对较大，此外，同一颜色的衍射效率也会受入射角度影响，两个因素共同导致视场角和动眼框范围内RGB比例不均匀，即出现彩虹效应。

2.  视场角小：受入射角限制影响，当前SRG产品视场角普遍在20-30°。

3. 光效低：光损较为严重，平均光效水平在0.3%-1%，需要高亮度的显示屏配合使用。（倾斜光栅和闪耀光栅衍射效率较高）

4. 漏光：光在出瞳区域会通过透射和反射进入前方外界环境，使得镜片呈现使用画面，泄漏用户隐私。

• 多层光波导vs单层光波导：设计多个波导片（一般二或三层），分别传输不同波长范围的光，可以改善颜色均匀性，减小彩虹效应，增大视场角，但不可避免会增加系统的重量和厚度。从产品应用来看，单色显示的SRG单层波导方案技术和量产难度较低，应用较多，全彩显示更多采用两层波导方案，重量和成本较三层方案更优，后续如何采用单层波导实现均匀全彩显示是各大厂商努力的方向。

体全息光波导：理论优势明显，材料&工艺要求高

• 体全息光栅（Volume Holographic Grating，VHG）原理：通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而获得折射率周期性变化的光栅结构，当介质的厚度远大于光波长时这种结构称为体全息光栅。体全息光波导基于衍射原理，将体全息光栅作为光线耦入和耦出的器件。体全息光波导包括反射式和透射式，其中反射式方案应用更多。

• 全彩-体全息波导：使用三色激光器同时加工，或采用多层波导片方案分离RGB光路，提升色彩均匀性。

•  二维扩瞳：与SRG光波导类似，分为转折光栅和二维矢量两个路径。

• 体全息光波导理论优势：1）衍射效率更高：理论上在满足布拉格条件时，体全息光栅衍射效率可达100%；2）成像更优：由于体全息本身的角度选择性和波长选择性，不存在漏光问题，可通过光机和光栅设计优化幅减弱彩虹效应；3）可能打破视场角限制：采用特殊全息材料可打破波导基体折射率带来的视场角限制；4）量产成本低：无需投资SRG纳米压印方案中制作母版的机器和母版制作的成本，在复用性和降本上有明显优势。

• 体全息光波导制造：

1. 将感光胶涂布在玻璃/树脂基底上曝光制造，或在膜片上制造成全息光栅后复合或转移到玻璃/树脂波导上。

2. 索尼卷对卷工艺：1）双束干涉曝光法在光敏聚合物薄膜上形成体全息图案；2）通过注射成型获得塑料波导；3）体全息薄膜与塑料波导对准贴合后切割成指定图案；4）配色，将红、蓝波导和绿色波导对准并用UV树脂封装固定。

   索尼体全息卷对卷工艺

   

3. Digilens波导印刷工艺：核心是超高折射率全息光聚合物（光聚合物+液晶），工艺分为母版制作和波导印刷，灵活性高，可实现数字化模板设计。

• 量产难点：体全息光栅是基于材料特性而开发的制程工艺，因此核心难点在于全息材料的选择和制备，材料将直接影响全息涂层均匀性和波导Fov等光学性能。此外，实际量产时曝光/生产的环境稳定性要求非常严格，湿度/温度/流通性都会影响效果。

• 主要玩家：海外代表公司包括索尼、Digilens、Akonia（苹果收购），国内包括水晶光电、谷东科技、三极光电等。

体全息光波导主要玩家梳理

来源：整理于中泰证券

原文始发于微信公众号（MicroDisplay）：一文看透几种AR光波导方案原理、制程、难点、优势及主要玩家.....