全息树脂光波导技术全揭秘：AR消费级落地仅需2-3年

文/VR陀螺 来福

2021已经过去了大半,与此前VR陀螺FBEC大会上各行业嘉宾预测的类似,上半年VR主流发展目标明确指向消费级,包括HTC VIVE、Pico等在内的头部厂商着手组建内容生态,市场表现上,根据 VR 陀螺数据显示,SteamVR 的会话数量达到 1．04 亿次,平均每场会话时长达到 30 分钟。

而AR方面节奏比较稳定,诸如影创科技、影目科技、爱普生等厂商推出新升级的AR眼镜,但在技术和生态的进展上,对比VR略显缓慢。摆在AR发展面前,仍旧是一个公认的问题:光学方案。光学方案可以说是AR发展的“根”,它直接影响到AR眼镜重量、大小、显示效果乃至定价等多方面问题。

目前AR的光波导方案主要是几何光波导和衍射光波导,其中衍射光波导被视为可能最适合消费级市场的解决方案,包括Magic Leap One、Rokid Vision以及HoloLens一代等都采用的是衍射光波导方案。而衍射光波导方案光栅类型又分为表面浮雕光栅和全息体光栅,前者因为微软等实力厂家的参与更靠近量产,而后者因为材料、生产等多种障碍并没有成为主流。

1 波导方案原理图(图源:网络)

2 二维光栅波导原理图(图源:网络)

虽然,目前国内在研究全息体光栅技术AR厂商并不多,但根据VR陀螺了解,近期有国产AR厂商光粒科技发布了全新的基于树脂基底的全息体光栅技术方案——“全息树脂光波导”,并导入了量产,该系列命名为Holoresin?。就这套全新的光学方案,VR陀螺与光粒科技创始人及CEO张卓鹏聊了聊,他也为我们带来了全息树脂光波导技术的全面解读。  

全息树脂光波导: 树脂基底、树脂镀膜的光波导元件  

衍射光波导之所以成为AR光学研究的热门方向,还是来源于其技术优势。相比于几何光波导生产时需要粘合等工艺,使用玻璃基底及镀膜技术的衍射光波导更符合硬件产品对量产的需求。

简单来讲,衍射光波导技术中,不管是表面浮雕光栅还是全息体光栅,都采用玻璃基底+镀膜+在镀膜上加工出光栅的形式。

图源:网络

基于这个理解,我们可以把“全息树脂光波导”拆分成两部分,也就是全息体光栅光波导方案+树脂基底材料+光敏树脂材料。

先看全息体光栅光波导方案,其光学原理就是衍射光波导。如果说几何光波导是光通过立体镜面阵列、棱镜再进入人眼的过程。那么在衍射光波导里,立体的镜面阵列、棱镜等就被几乎平面化的“衍射光栅”所取代。再简单点的比喻,几何光波导中的光,就像人在实际生活里走迷宫,而衍射光波导就像人在玩电脑迷宫游戏,这是从立体到平面的过程。

衍射光波导中,表面浮雕光栅可以理解为通过纳米压印的技术在附着在薄膜层上“压”出所需要的痕迹。而全息体光栅则是通过使用激光激发的干涉图案,曝光附着在基底上的光敏材料上。

结合前面提到使用衍射光波导技术的器件结构(基底+镀膜+在镀膜上加工出光栅),和刚才所说的衍射光波导两种方案的技术原理(纳米压印和全息曝光),我们可以进一步对“全息树脂光波导”有所了解。 所谓“全息树脂光波导”就是在树脂基底、光敏树脂镀膜器件上使用全息曝光体光栅技术制作的AR光学显示元件。

关于全息树脂光波导的优势,光粒科技创始人及CEO张卓鹏表示:“首先是光学的效能比较高,其次,表面浮雕光栅用的是晶圆玻璃基底,还要配合纳米压印技术,对材质和技术的要求都很高。而全息树脂光波导对材质的要求就没那么高,不管是涂层还是基底,都使用树脂。”

图源:光粒

“相对于原先的玻璃材料,换成树脂好处就显而易见了。一是重量更轻,二也更耐摔耐撞。” 此外,张卓鹏也提到,树脂的基于“耐摔耐摔”特性的另一个优势,寿命长。一方面体现在使用寿命长、不易腐蚀上,而另一方面则是由全息体光栅技术带来的。张卓鹏解释说:“纳米压印表面有高高低低的纹路,如果纹路的缝隙被水分或盐分填满,可能会失去原有的效能。”

“全息树脂光波导,表面是平整的,而且有严格的防水封装。所以,即便有水分或盐分,内部的光栅结构不会受到影响。”

但树脂材料相比于晶圆玻璃材料也有相关的限制条件,树脂的表面光洁度和基础折射率都不如后者。对此,张卓鹏表示,树脂材料作为眼镜片已经有将近20年了,生产经验是非常丰富的,有足够符合AR使用标准的树脂材料,而基础折射率的问题,已经通过提高加工工艺得到了解决。