一文了解微纳光学在AR眼镜中的应用

光波导是一种光学技术,在光通信、激光领域应用较多。简单的来说就是光在特定设计的材料器件结构中实现光的定向传播,应用的是全反射原理,中心用折射率大的材料,四周用折射率小的材料,就可以束缚光在介质中传播。

光波导在AR技术中,因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。

增强现实(AR)与虚拟现实(VR)是近年来广受关注的科技领域,它们的近眼显示系统都是将显示器上的像素, 通过一系列光学成像元件形成远处的虚像并投射到人眼中。

不同之处在于,AR眼镜需要透视(see-through),既要看到真实的外部世界,也要看到虚拟信息,所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(optical combiner),通过“层叠”的形式, 将虚拟信息和真实场景融为一体,互相补充,互相“增强”。

微型显示屏,用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件,比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED,也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS),还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD, 即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。

光波导技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件,因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案,而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产,关于光波导的讨论热度也在持续增加。

光波导的这种特性,对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。因为有了波导这个传输渠道,可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面,这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡,并且使得重量分布更符合人体工程学,从而改善了设备的佩戴体验。

光波导总体上可以分为几何光波导(Geometric Waveguide)和衍射光波导(Diffractive Waveguide)两种,几何光波导就是所谓的阵列光波导,其通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出和动眼框的扩大,代表光学公司是以色列的Lumus,目前市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。

衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导(Volumetric Holographic Grating), HoloLens 2,Magic Leap One均属于前者,全息体光栅光波导则是使用全息体光栅元件代替浮雕光栅,苹果公司收购的Akonia公司采用的便是全息体光栅,另外致力于这个方向的还有Digilens。这个技术还在发展中,色彩表现比较好,但目前对FOV的限制也比较大。

波导的种类: (a) 几何式光波导和“半透半反”镜面阵列的原理示意图, (b) 衍射式光波导和表面浮雕光栅的原理示意图, (c) 衍射式光波导和全息体光栅的原理示意图。

衍射光波导 (Diffractive Waveguide), AR眼镜想要具备普通眼镜的外观,真正走向消费市场,衍射光波导,具体说表面浮雕光栅方案是目前的不二之选。

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。

衍射光波导的微纳制造,浮雕光栅波导制造

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。

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。

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。

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。