微纳光学设计与制造在光波导显示技术中的应用

    1、引言

    增强现实技术即AR技术是将虚拟信息与现实世界相互融合，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会取代手机成为下一代的协作计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，增强现实技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导（Lightguide）方案，前三种方案体积较大，限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用。全息透镜方案使用全息片独一无二的光学特性，具有大FOV和小体积的优势，但是受限于眼动范围比较小。波导是目前最佳的增强现实眼镜方案。波导方案又分为几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案。几何波导方案中一般包括锯齿结构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是使用阵列的部分透射部分反射薄膜镜来达到虚拟信息的显示的目的，偏振阵列波导方案具有轻薄、眼动范围大且色彩均匀的优势。浮雕光栅波导方案可以用纳米压印工艺进行大批量生产，引起了AR光学模组生产产商的极大兴趣，它具有大视场和大眼动范围的优势，但是也会带来视场均匀性和色彩均匀性的挑战，同时相关的微纳加工工艺也是巨大的挑战。体全息波导方案在色彩均匀性（无彩虹效应）和实现单片全彩波导上均有优势，但是目前在大规模量产和大视场上受到了限制。

    图 1 为波导方案的基本显示原理，耦入区域用于将微投影光机的光束耦入到波导片中，使得光束满足在波导片中全反射传播的条件，耦出区域用于将全反射传播的光束耦出波导片并传到人眼。耦入区域可以是反射镜、棱镜、浮雕光栅和体全息光栅等。耦出区域可以是阵列半透半反射镜、浮雕光栅和体全息光栅等。本文将对波导方案和衍射波导加工工艺做进一步的阐述，并介绍珑璟光电在该领域相关的研发情况。

图1：波导方案原理图

    2、几何波导方案

    2.1 锯齿波导

    其基本原理为在眼睛前方的位置，利用锯齿状的有一定反射率的反射面，将光反射耦出到人眼。

图2：第一类锯齿形波导片光学模组图

图3：第二类锯齿形波导片光学模组图

图4：局部锯齿形结构图

    图 2 为一种具有锯齿斜面的结构[1]，斜齿结构如图 4 所示。波导片内传输的虚拟图像，从锯齿结构反射进入人眼，外部环境光，经过互补的两个锯齿结构，直接进入人眼而不受到影响。图3结构利用间隔的锯齿结构[2]，完成虚拟图像与外部环境图像合并。但是这种结构齿数越多杂散光越多，也影响对比度，降低成像质量。而且光线只在锯齿结构上经过一次反射就耦出到人眼，超过1次将为成为杂散光，如果要改善这种效果，就得增加波导片的厚度。同时多个锯齿结构上镀膜无疑增加了工艺难度。图 3 结构存在的问题就是能量利用率比较低，因为有一部分没有锯齿结构不能全部反射能量，即使通过一定的角度偏转来遮挡不反射的部分，不能兼顾全部视场角，在大视场角时能量损失尤为明显。

    2.2 偏振阵列波导

    Lumus公司产品如图 5（a） 所示[3]，这种方法与上述锯齿的波导相比有明显的优势，他的反射结构布满整个波导片。波导镜片中间的位置有角度选择的部分透部分反薄膜面，阵列排布，因此，我们通常称这种为偏振阵列波导技术。由于有多个部分透射部分反射面，每一个面会将部分光线反射耦出波导进入人眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进。然后这部分前进的光又遇到另一个镜面，重复上述的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。如图 5（b）这样多次的反射，能将出射的光“调整”得比较均匀。

    (a)

图5：

    （a）Lumus偏振阵列波导产品图;

    （b）珑璟光电偏振阵列波导光路图。

    这项技术的扩瞳技术，设计较为复杂。设计时要充分考虑杂散光，人眼兼容性，各项性能指标。除此之外，均匀性也是最终用户体验的直观指标，如何控制多个膜层的反射和透过率，如何整机优化，如何控制镀膜工艺，才能保证整个眼动范围内的均匀性，也是研究的重点。为此珑璟光电自研偏振阵列波导设计软件工具箱，使波导片的设计更加智能化（一键设计）。工艺上自主研发光学加工工艺，使性能和成本均占有优势。图 6（a）所示为珑璟光电偏振阵列波导3D仿真光路图。图 6（b）所示为我司的一款偏振阵列波导产品图。

(a)

(c)

    图6：

    （a）珑璟光电偏振阵列波导3D光路图；

    （b）珑璟光电偏振阵列波导产品；

    （c）珑璟光电偏振阵列波导产品实际效果图。

    [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/

    3、浮雕光栅波导方案

    浮雕光栅波导方案即为使用浮雕光栅(SRG)代替传统的折反射光学器件（ROE）作为波导方案中耦入、耦出和出瞳扩展器件。常用的浮雕光栅主要有一维光栅，其包括倾斜光栅、梯形光栅、闪耀光栅和矩形光栅结构等，图 7（a）所示为倾斜光栅得扫描电镜（SEM）图。二维光栅，如波导中常用的六边形分布的圆柱光栅结构，图 7（b）所示为二维圆柱光栅结构的SEM图。以上光栅结构的特征尺寸均为纳米级。所以目前浮雕光栅波导的路线主要有：基于一维光栅的浮雕光栅波导方案，原理图如图 8（a）所示，分为耦入、转折和耦出区域，三个区域均采用一维光栅，并在转折区域和耦出区域分别进行一个方向的扩展，代表产品为HoloLens。基于二维光栅的浮雕光栅波导方案，原理图如图 8（b）所示，分为耦入和耦出区域，耦入区域经典结构为一维光栅，耦出区域结构为二维光栅，使用二维光栅结构的多个级次，同时保证光束的耦出和多个方向的扩展，代表公司为WaveOptics。图 8（c）是二维光栅波导得K域图，内圈代表波导片中得全反射条件，外圈代表波导片材料所可以达到得最大K值，耦入光栅将光束的K值平移到环形区域，即使得光束满足在波导片内全反射传播得条件，耦出光栅将部分光束的K值从环形区域平移到内圈区域，即使得光束耦出到人眼。

    图 9（a）所示为珑璟光电设计的第一代浮雕光栅波导，采用的二维光栅波导方案，珑璟光电具有自主知识产权的浮雕光栅波导也正在开发完善中。如图 9（b）和图 9（c）所示分别为我司做的基于两种浮雕光栅波导原理的场追迹仿真结果。

    图10（a）为微软最新的Hololens2的效果图[4]，图10（b）为WaveOpics衍射波导得效果图[5]，图10（c）为Dispelix衍射波导得效果图[6]。这三家公司是目前国外浮雕衍射波导方面的代表性公司。

    浮雕光栅波导使用光刻工艺加工晶圆作为母版，并使用纳米压印工艺进行大规模的复制量产详见后文所述。

    (a)

图7：

    （a）倾斜光栅结构图;

    （b）二维圆柱光栅结构图。

(a)

(c)

    图8：

    （a）一维光栅波导原理图;

    （b）二维光栅波导原理图;

    （c）二维光栅K域图。

(a)

(c)

    图9：

    （a）珑璟光电第一代光栅波导样品图;

    （b）珑璟光电一维衍射波导场追迹图;

    （c）珑璟光电二维衍射波导场追迹图。

(a)

(c)

    图10：

    （a）微软Hololens2效果图；

    （b）Waveoptics衍射波导效果图；

    （c）Dispelix衍射波导效果图。

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

    [5]. https://enhancedworld.com/

    [6]. https://www.dispelix.com/

    4、体全息波导方案

    体全息光栅波导方案采用体全息光栅作为波导的耦入和耦出器件，体全息光栅是一种具有周期结构的光学元件，它一般通过双光束全息曝光的方式，直接在微米级厚度感光聚合物薄膜内干涉引起了其折射率周期性变化，从而形成纳米级的光栅结构，可以对入射光发生衍射作用。将体全息光栅和波导片结合，通过设计体全息光栅的相关参数(如材料折射率n、折射率调制因子和厚度等)可以调整体全息光栅的衍射效率。目前采用体全息光栅波导方案的代表性厂家有Sony和Digilens，Sony只出过一款单绿色的体全息光栅波导，产品如图11（a）所示[7]，现已停产。Digilens目前有双层全彩体全息光栅波导，产品如图11（b）所示[8]。图11（c）是我珑璟光电体全息光栅波导的光路仿真验真图，图11（d）是珑璟光电研发的单层全彩全息光栅波导样品，视场角20°，图12是相应的显示效果。

    (a)

(c)

(d)

    图11：

    （a）Sony全息光栅波导效果图;

    （b）Digilens全息光栅波导产品效果图;

    （c）珑璟光电全息光栅波导场追迹图;

    （d）珑璟光电单层全彩全息光栅波导样品图。

图12：珑璟光电单层全彩全息光栅波导实际效果图

    [7]. https://image.baidu.com

    [8]. www.digilens.com

    5、离轴全息透镜方案

    全息激光视网膜投影采用MEMS激光扫描投影器件和离轴全息透镜组合的方式，将入射到全息光学元件上的光线重新定向入射至人眼实现虚拟图像的显示。MEMS激光扫描技术通过改变振镜取向使得入射光束朝不同方向出射来实现扫描成像，离轴全息透镜会将MEMS扫描光源的发散光转变成汇聚光进入人眼。目前采用全息透镜方案的代表性厂家是North，图13（a）是他们的样品图[9]，视场角只有15°。图13（b）是珑璟光电做的离轴全息透镜光路仿真，图13（c）是珑璟光电探究性研发单色离轴全息透镜样品，视场角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，体积较大且视场角不匹配，后续可通过定制MEMS投影器件显著提升显示效果并减小体积。

    (a)

(c)

(d)

    图13：

    （a）North全息透镜产品效果图;

    （b）珑璟光电离轴全息光路仿真图;

    （c）珑璟光电单色离轴全息透镜样品图;

    （d）珑璟光电单色离轴全息透镜实际效果图。

    [9]. www.bynorth.com

    6. 衍射光波导的微纳制造

    6.1 浮雕光栅波导制造

    如上所述，表面浮雕光栅从维度上可分为一维和二维光栅，而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，为了实现较大的衍射效率和视场角，其特征尺寸一般在数百纳米，甚至几十纳米，且其性能对误差容忍度较小，所以对微纳加工制备提出了很大的挑战。目前的衍射光波导制备基本都是基于半导体制备工艺（如光刻、刻蚀工艺）完成。但是，由于这些方法受其复杂、昂贵的设备的限制，生产成本非常高，不适合光学模组的大批量制备。

    图14所示为表面浮雕光光栅模板制备或小批量制备工艺流程图，包括其扫描电镜图。对于直光栅，其工艺较为成熟，首先在基底上旋涂抗蚀剂层，通过干涉曝光或电子束曝光实现光栅的图案化，之后利用反应离子刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体刻蚀（ICP）将图案转移到基底，并将抗蚀剂层去除，完成直光栅的制备。而由于均匀性问题导致以HoloLens为代表的斜光栅光波导无法直接采用反应型刻蚀方案准备，所以制备工艺较为复杂，需要采用聚焦离子束（focused ion beam etching，FIBE）、离子束刻蚀(ion beam etching，IBE)、反应离子束刻蚀(reactive ion beam etching，RIBE)技术所制备。综合考虑到效率和均匀性，RIBE是其中较合适的方案。首先，将基底上通过物理或化学方法镀一层硬掩模（如Cr）层，之后旋涂一层抗蚀剂层。同样利用干涉曝光或电子束曝光进行图案化，之后通过氯干刻蚀工艺将抗蚀剂图案转移到Cr层。在刻蚀工艺之后，用氧等离子体法剥离剩余的抗蚀剂层。接下来使用基于氟基的RIBE工艺用电离的氩离子束以倾斜的角度入射基底。在反应离子束刻蚀之后，通过标准的湿法刻蚀工艺去除Cr掩模，获得具有出色均匀性的斜光栅。

图14：表面浮雕光栅模板或小批量制备工艺流程

    上述基于半导体工艺的制备成本昂贵，不适合光栅波导量产加工。因此，衍射光波导的复制工艺随即被开发出来以便实现大批量生产，而这这种大规模的制造工艺依赖于高折射率的光学树脂，目前Magic Leap和WaveOptics已经进行相关工艺的验证。复制工艺包括热压法（hot embossing）、紫外线纳米压印光刻法（UV-nano imprint lithography）和微接触压印法（micro contact printing，亦被称为软光刻）。其中紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产中的常用方法。

    具体工艺流程如图15所示，该工艺可分为两个阶段：纳米压印工作模具制备阶段和批量生产阶段。首先，通过上述模板制备工艺将图案加工到硅晶圆上以用作模板，通过纳米压印技术在更大的硅晶片上旋涂UV树脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外线对印刷的结构进行曝光以固定树脂。最后通过重复上述过程批量生产多图案的压印模具。在批量生产的过程中，使用多图案的模具来生产表面浮雕光栅波导，然后使用功能性涂层覆盖波导，并用激光切割技术分离，最后将不同结构的波导堆叠实现光学模组的制备。

图15：表面浮雕光栅大批量复制量产工艺

    6.2 体全息波导制造

    体全息波导的制备基础是干涉曝光，通过使用激光激发的干涉图案曝光附着在基底上的光敏折射材料，材料特性根据光的强度分布而变化，最后获得具有折射率周期性变化特性的材料。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、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。对于体全息图的记录过程大都相似，但是一般的曝光仅适用于小批量验证，而对于大批量生产，需要开发更加经济的方案，以Sony和DigiLens为代表的公司开发了体全息波导的加工工艺流程。

    如图 16 展示了制备体全息波导的卷对卷（roll-to-roll）工艺。首先，使用双束干涉曝光法在附着在卷胶上的光敏聚合物膜内形成体全息波导；第二步，通过注射成型法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小于1um。然后进行全息光学元件的转移工艺以将全息波导膜准确地与塑料波导对准粘贴；之后将塑料全息波导进行切割；最后在配色过程中，将红、蓝塑料波导与绿色塑料波导对准并用UV树脂将其封装固定。塑料基底在每次加工之前和之后都均应保持平坦是冲压和配色过程中都面临的挑战。图 16 展示了带有绿色、红色、蓝色以及全色塑料VHG波导的照片。

图16：卷对卷体全息波导制备工艺

    7、展望

    AR技术中的波导方案逐渐成为主流技术，所以本文对几何波导方案（包括锯齿波导方案和镀膜阵列波导方案）、浮雕光栅波导方案、全息光栅波导方案做了详细介绍，同时也介绍了全息透镜方案，并展示了珑璟光电的部分相关样品。棱镜方案、Birdbath方案和自由曲面方案由于体积因素的限制本文未做详细介绍。

    偏振阵列波导方案具有轻薄、大眼动范围和色彩均匀性好的优点，在设计和加工均有很高的技术壁垒，珑璟光电在此领域深耕多年，完全实现了从设计到加工的自主化，率先在国内实现了镀膜阵列波导的大规模量产。珑璟光电位于深汕投控时尚品牌产业园的16454平米的生产基底将于今年八月正式投产，也代表了偏振阵列波导技术新的发展里程碑。成熟的设计方案和大规模的量产能力使得偏振阵列波导方案在未来五年内都将是AR领域的主流方案。

    锯齿波导方案相对于偏振阵列波导方案，加工工艺路线相同，工艺难度一致，但是锯齿波导的杂光严重，能量利用率低，对比度低，成像解析度一般，所以使得锯齿波导方案在AR领域难以成为主流方案。

    浮雕光栅波导方案具有大视场和大眼动范围的优势，同时由于纳米压印的便利性，受到了越来越多的关注。但是浮雕光栅波导目前的主要问题有，1、色彩不均匀和彩虹效应；2、反射和透射级次特性所导致的波导片正反两侧均有图像信息耦出；3、纳米压印的良率问题。所以短时间内浮雕光栅波导方案很难成为主流方案，设计方案的进一步成熟和量产良率的提升预计还需要一定的时间。珑璟光电与湖南大学积极开展浮雕光栅波导的产学研合作，合作创建了珑璟光电-湖南大学深圳研究院微纳光学研究中心，积极部署微纳加工设备，在设计与加工方面推动浮雕光栅波导方案的发展。

    体全息光栅波导方案具有色彩均匀性好和易于实现单片彩色波导的优势，但是其采用全息干涉曝光的方法进行波导片的加工，限制了其大规模的量产。同时，做大FOV需要叠加多层全息光栅，增加了工艺难度，做彩色波导片需要高密度的曝光材料，进一步增加了工艺难度。所以，体全息光栅波导方案在AR领域也很难短时间内成为主流方案。

    全息透镜方案使用和全息光栅波导方案相同的全息光栅曝光工艺进行加工，具有大FOV的优势，但是受限于眼动范围太小的影响，只在个别领域有所应用。

    综上所述，偏振阵列波导方案和浮雕光栅波导方案是目前两个最有前景的主流AR方案，一个代表着现在，一个代表着未来。珑璟光电率先在国内实现偏振阵列波导的大规模量产，同时积极部署浮雕光栅波导方案，希望为AR事业得发展尽力发光。