轻薄AR眼镜背后，光波导技术的博弈与突围

作为AR显示系统的核心，近眼显示设备的光学成像模组直接决定了产品的形态与用户体验。相比于早期基于同轴光学系统或自由曲面棱镜的传统AR光学方案，基于平面光波导的AR光学方案可以让AR眼镜做到像普通眼镜般轻薄，同时提供更广阔的视野和灵活的观看角度，成像效果也更加清晰。

目前光波导方案主要分为几何光波导、衍射光波导两种。几何光波导技术成熟，图像保真度高，是目前高端AR市场的主流方案之一；衍射光波导则凭借其高设计自由度和大规模生产的潜力，正成为消费级AR眼镜竞相布局的技术方向。然而，如何进一步提高光学效率、有效解决色散与彩虹效应，并实现低成本的规模化量产，仍是当前产业界与学术界共同面临的核心挑战。

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几何光波导

几何光波导以阵列光波导为主。阵列光波导利用阵列式的半透半反镜实现波导内光线的传输与耦出，光从微显示器中射出，在耦入区域光线通过反射镜进入波导中，在波导内以全内反射的方式传播，在耦出区域通过阵列分布的半透半反镜进行出瞳扩展和耦出。根据扩瞳范围的不同，几何阵列光波导可分为一维几何阵列光波导与二维几何阵列光波导。

二维阵列光波导原理图，图源：Lumus官网

阵列光波导的优势在于光效高，比其他方案高一个量级，有数据指出一维阵列光波导光效利用率在5%-10%，二维阵列光波导可达到5%左右。此外，阵列光波导显示效果更好，Eyebox可以做得很大，并且不存在其他方案的彩虹纹效应。阵列光波导的局限在于量产端，眼镜加工时工艺流程繁冗、良率低且成本高昂。

阵列光波导的加工流程主要是

研磨、抛光、镀膜和胶合

。首先通过切割玻璃基材获得各种规格的波导小棱镜，然后对小棱镜进行粗磨、精磨与抛光，之后在小棱镜上分别镀不同膜系的薄膜获得不同的反射/透射比，最后对小棱镜进行胶合将它固定为表面光滑的波导片，并通过测角仪、干涉仪等仪器对波导片进行检测。

阵列光波导加工流程

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衍射光波导

衍射光波导与几何光波导不同，它的设计不依赖于几何光学，而是利用光的衍射效应，主要采用光栅结构实现对光束的调制。根据光栅种类的不同，衍射光波导主要可分为表面浮雕光栅（SRG）波导与体全息光栅（VHG）波导。

表面浮雕光栅波导

表面浮雕光栅波导是在波导表面形成周期性的微纳浮雕结构，通过精确控制光栅周期、占空比、槽深、侧壁倾角等光栅参数，实现光束的耦入、传输和耦出，是衍射光波导中应用最广泛、技术最成熟的耦合元件。入射光束通过输入光栅衍射进入波导，经过全内反射后传输至输出光栅区域，再经过输出光栅衍射导出至人眼。

SRG微纳浮雕结构

表面浮雕光栅波导实现方案主要有三种，目前主流使用的是纳米压印技术（NIL），能低成本、大批量地在玻璃或者树脂上压印出纳米级光栅结构。刻蚀工艺则偏向高精度、高性能的需求。

（1）光刻+干法刻蚀工艺

AR行业通常使用电子束曝光（EBL）、深紫外曝光（DUV）等光刻方式进行光栅图案的加工。干法刻蚀则通过等离子体（ICP）或离子束（RIBE）轰击基底表面，选择性去除未被光刻胶保护的基底材料，实现基底表面图案化，干法刻蚀（ICP或RIBE）能确保图案的大面积均匀性和陡直侧壁。光刻+干法刻蚀工艺是在高折基底上直接加工光栅，组成光栅的材料为玻璃、陶瓷或者氧化物等高折材料，能够制造出折射率RI超过2.0的光栅，不受高折胶折射率的限制。

EBL+干法刻蚀工艺流程，来源：C Lighting

（2）纳米压印工艺

纳米压印技术是一种基于机械压印原理的微纳结构复制技术，通过高精度模板将纳米级图案直接转移到树脂上，其基本原理是运用纳米图形模板压在胶体涂层上进行模压成型，实现纳米图形的加工。

纳米压印工艺的核心流程包括模板制备、压印胶涂覆、机械压印（热压或紫外固化）、脱模及结构转移等步骤。纳米压印工艺包括热压法（T-NIL）、紫外线纳米压印光刻法（UV-NIL）。其中UV-NIL是表面浮雕光栅光波导批量生产中的最常用方法。

NIL技术工艺流程图

（3）纳米压印+干法刻蚀工艺

纳米压印+干法刻蚀工艺采用低折射率树脂作为干法刻蚀的牺牲层，在纳米压印后，以压印胶的图案为掩膜，通过干法刻蚀将残胶层及硬质掩膜层穿透，并延伸至下方的基底层，进而得到下层材料的结构图案，刻蚀后通过氧等离子体处理和化学清洗去除残留聚合物及压印胶，完成结构制备。该方案支持多种高折基底材料（如高折玻璃、铌酸锂或碳化硅等材料），突破了传统压印胶的折射率上限。

体全息光栅波导

体全息光栅波导方案采用体全息光栅作为衍射光波导中的耦入耦出元件。通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而可以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。体全息光栅相对于表面浮雕光栅具有更高的衍射效率，但是它对入射光的波长与衍射角要求更高。

体全息光栅波导的主要制备工艺是干涉曝光。通过使用激光激发的干涉图案附着在基底上的光敏折射材料，材料特性随着光强度分布的不同而变化，最后获得折射率周期性变化的结构。体全息光栅波导的制备材料主要有卤化银、重铬酸盐明胶、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶等。

制备体全息光栅波导的卷对卷工艺流程

小结

未来AR光波导将围绕性能提升、量产降本、技术融合三大方向持续演进。光波导与Micro-LED显示的结合，有望在近几年成为消费级AR产品的主流方案，有效破解当前AR显示在亮度、功耗与体积之间的矛盾。先进微纳制造工艺是实现AR显示设备规模化量产与低成本化的核心，纳米压印、刻蚀工艺、卷对卷生产等技术的突破，将持续提升光波导元件的量产能力与良率，最终实现轻薄便携、视场广阔、显示清晰、续航持久的AR显示目标。

参考来源：

[1]关堂新等：增强现实显示系统中光波导元件的研究进展与展望

[2]姜玉婷等：增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展

[3]王梦诚等：纳米压印研究进展及创新应用

[4]MOE成像与显示技术、VR陀螺、舜宇奥来技术