鲲游光电研发总监楼歆晔畅谈晶圆级光学

    鲲游光电受邀参加2021年中国国际光电博览会。与会期间，研发总监楼歆晔博士，做客“基于镜头模组的成像技术高峰论坛", 并发表了《晶圆级微纳光学元件在消费电子和车载领域中的应用》主题演讲。

    当光学遇上半导体技术

    光学是一门有悠久历史的学科，也是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一。从两千多年前原始透镜的发明以来，光学元件的生产一直沿袭单透镜玻璃冷加工方式，到上世纪五六十年代伴随着消费类光学产品的萌芽，注塑的塑料透镜才初见雏形。在过去几十年间，光学元器件经历了初创、成长和快速发展阶段，应用领域也从消费领域向监控、车载、机器视觉、VR/AR设备快速蔓延。行业对产业链中上游产能和成本的需求又反过来大大推动了透镜的注塑和模压工艺的迅猛发展，使光学元件的加工方式摆脱了单一的单片串行模式，进入到单模多片乃至几十片并行的可大规模量产水平。

    半导体产业是另一个全球创新最为活跃的领域。半导体在集成电路、消费电子、通信系统等众多核心领域都有应用。鲲游光电以微纳光学为立足点，精通半导体晶圆级制程，一直以来专注于将半导体与光学结合，充分依托半导体的核心竞争力，为晶圆级光学领域创造更多新兴的应用方向。传统的光学注塑和模压工艺可支持单模至多几十个元件并行生产，而我们的晶圆级光学工艺可在一张8寸或者12寸的超薄基底上集成几千乃至上万个拥有独立复杂光学功能的元件，集成化产能与成本优势显著。也正是结合了半导体的能力，我们的晶圆级产品覆盖了从纳米到毫米的结构尺度范围，在全尺度制程下，做到了高重复精度、KK级产能以及极具竞争力的成本。

    当前大家能明确感知到光学在整个消费电子产业链中的引领作用，并已成为消费电子领域最优秀的赛道之一。例如，手机摄像头，光学镜头持续朝高像素升级，多摄不断普及，量价齐升，一直以来引领着手机终端的技术革新。展望未来，在3D传感、AR/VR、车载等领域将融入越来越多晶圆级光学的新型元件以及新型制造方法，引领未来的三维感知升级和下一个交互革命。

    晶圆级微纳光学在3D传感领域中的应用

    自苹果从2017年推出具备3D传感人脸识别功能的iPhone X以来，3D传感已成为手机品牌旗舰机型在市场竞争中的重要指标。手机领域的另一经典作品是华为P及Mate系列旗舰机型的后置TOF模组，鲲游光电作为其光学芯片的供应商已规模出货。基于手机3D传感衍生的丰富应用，例如人脸解锁、刷脸支付、测距、摄像景深、3D物体检测、空间建模等，在各大手机终端的加持作用下，已成为智能手机的关键亮点之一。3D传感在非手机终端的应用也同样丰富，例如安防监控、脸部识别、AR空间感知、体感游戏等。

    目前3D传感技术两大主要解决方案是：3D结构光（Structured Light）和TOF飞行时间法（Time of Flight），两者分别通过计算近红外激光散斑投射在物体表面造成的光信号变化和从发射到接收的飞行时间差来计算物体的位置和深度信息。作为两大主动探测3D信息的技术路线，3D结构光和TOF的精准测量与模组发射端的核心光学芯片DOE（衍射光学元件）和Diffuser（匀光元件）息息相关。截止目前，鲲游光电已建成完备的DOE和Diffuser光芯片的研发量产闭环，以高性价比为客户提供定制化设计、工艺制作和大规模量产的一站式服务。

    DOE方面，鲲游研发设计团队构建的标量&矢量混合算法，兼顾计算效率和准确性，可满足各种衍射应用需求；量产工艺可使用纳米压印或刻蚀技术以提供多种不同材料的产品，比如玻璃-聚酯复合POG（Polymer on Glass）系列、聚酯系列、Si或石英系列等。在TOF Diffuser的关键性设计能力上，鲲游自研的高阶自由曲面微透镜面型设计可精确获得客户所需的光场分布，消相干随机微透镜阵列设计算法可有效解决TOF模组中相关光源带来的干涉条纹问题。经过工艺的持续改进、精细控制及严格管控，在向国际顶级手机终端厂商的KK级批量供货项目中，已达到99%以上的晶圆量产良率。下一步将继续拓展新型的3D产品类型（如dToF、短距离雷达等），以及新需求（如扫地机器人，门锁，生物识别等）。

    晶圆级微纳光学在AR光学显示中的应用

    AR/VR是目前最理想的现实与虚拟世界接口，将成为元宇宙的重要组成部分。随着AR/VR的发展进入到新阶段及元宇宙概念的兴起，国内外对于AR市场的普遍观点是未来2-3年将步入快速增长阶段。理想的AR体验对舒适度有极高的要求，当前AR光学显示架构虽呈现多元化，但光波导由于形态轻薄类似平日佩戴的眼镜，具备长时间佩戴可能，光波导技术被业内认为是AR显示未来的发展方向和最终形态。其中SRG（表面浮雕光栅）衍射光波导依靠在量产性和材料成熟度上的优势，在多个光波导方案中脱颖而出，成为众多国际一流厂商的首选技术方案。鲲游光电以SRG衍射光栅光波导为主要技术路线，正加速拓展其研发与量产能力，可为客户提供定制化视场角及ID形态、大视窗、高解析度、高透过率的衍射光波导产品。其中：

    鲲游光电拥有完整的AR SRG衍射光栅光波导自主仿真优化设计能力：精确分析模拟单光栅的衍射特性和光波导系统的显示性能，如效率、均匀性、颜色均匀性等，采用自研的自适应方向反馈式算法优化光栅结构及分布规律以获得优化的系统显示性能；

    公司实现了SRG衍射光栅光波导的研发和量产闭环，包括以光波导设计、母版制作、纳米压印、切割、叠合、边缘黑化和质量管控为主要步骤的全流程内部管控；

    公司将持续推进“逍遥”与“扶摇”两大不同定位的产品序列，兼顾体积轻薄、显示类应用的高性价比需求及大视场强沉浸、高分辨率、极致清晰的高性能需求。“逍遥”系列产品自2020年起导入小规模量产，正稳步爬升规模，性能与品类正按既定研发计划高速迭代；“扶摇”系列产品也于近期导入小规模量产，其研发迭代在高速并行中。

    晶圆级微纳光学在车载领域中的应用

    面向未来，公司进一步开拓新技术与新需求的发展方向。其中新能源车与自动驾驶的迅猛发展为新型光学传感带来了新的应用机会：例如将Spot LiDAR移植到车载ADAS辅助驾驶系统中实现小体积、高精度、高鲁棒性的纯固态感知方案；TOF赋能以传感器和人工智能为基础的座舱监控（In-cabin monitoring），通过实时监控整个汽车座舱内环境来提升驾驶员及乘客的安全性；TOF赋能智能座舱，通过识别三维手势来控制或与设备交互等等。

    大视场角全景式车载AR HUD（平视显示器）是未来自动驾驶的必备功能，传统的ARHUD光学方案在日益增大的视场角需求下系统体积呈指数增加趋势，成为新型车辆设计整合的难题。将光波导运用于车载ARHUD可在同等性能规格下大幅减小系统体积，并通过出瞳扩展可提供优于传统方案的视窗面积。公司当前在积极探索这一研发方向。

    车载激光雷达LiDAR是微纳光模组在车载领域的另一应用趋势。作为未来自动驾驶的硬件基础，公司开发的微纳光模组已于2021年下半年顺利通过车载客户量产认证，并将于2022年1季度起于国际一线新能源汽车主流型号上导入量产。

    关于鲲游光电

    鲲游光电是专注于晶圆级光学、光集成领域的高科技企业，总部位于中国上海。公司由国际国内光电子领域顶级学者、多年光电产业经验的行业资深人员组成。核心研发团队及管理层包括斯坦福大学、罗切斯特大学、南洋理工大学、剑桥大学、浙江大学、上海交大等知名光电院所的教授、博士；前微软、NASA、Oplink、GE、飞利浦、暴风等国际知名企业高管。依托自身深厚的技术积累、高精度的制造工艺，鲲游光电通过融合集成光学与集成电路的创新思路，致力于探索前沿光子、光电子领域的实现与创新应用，助力中国在下一代光子科技领域的弯道超车，拉开消费光子的序幕。

    自2017年年初成立以来，公司始终致力于以高性价比为国内外客户提供设计、定制、生产一站式的紧密微光学产品及服务，已全面建立了晶圆级光学完整的研发量产系统闭环，并已向国际顶级的终端厂商的核心机型批量供货。公司上海临港基地第一期近万方超净间已建成投入使用，二期正式进入实质规划。