AR光波導方案對比分析

按照耦入耦出器件的不同，光波導可分為幾何光波導和衍射光波導，其中幾何光波導以陣列光波導為主導，衍射光波導又 分為表面浮雕光柵光波導（SRG）和體全息光波導（VHG）。

1.陣列光波導：成像效果優秀，量產難度較大

陣列光波導：成像效果優秀，二維擴瞳解決了光機體積與視場角、EyeBox的矛盾。  一維擴瞳：光線通過反射鏡耦入波導片，在波導片中經過多輪全反射后到達半透半反鏡面，部分光線反射耦出進入人眼， 未耦出光線透過鏡面到達下個鏡面，重復反射/透射過程，直至最后一個鏡面將剩余光線全部耦出到人眼。一維擴瞳陣列光 波導能將EyeBox從4mm擴大到10mm+，且雜散光少，光線調制均勻，成像質量、色彩以及對比度水平較高。

 二維擴瞳：在兩個區域分別設置反射陣列，第一個區域實現一個方向的擴瞳，同時將光束傳導至第二個區域，進行另一個 方向的擴瞳，可以是縱向→橫向擴瞳，也可以是橫向→縱向擴瞳。二維擴瞳陣列光波導解決了光機體積與視場角、EyeBox 的核心矛盾，能夠有效增加EyeBox和視場角（可達50%+），顯著減小光機體積，更好地滿足消費級用戶對AR眼鏡的形態 體積以及成像效果的要求。

 優勢總結：陣列光波導除了擁有光波導共有的輕薄化優勢外，相比于已量產的表面浮雕光柵衍射光波導，其成像效果更為 優秀（雜散光少/色彩均勻/EyeBox&視場角較大/分辨率高），幾乎無漏光問題（1%-5%），且光損較低，可以減小光機功耗 增加續航。

核心問題：量產難度大，明暗條紋影響美觀。 量產難度大：陣列波導制作涉及鏡面鍍膜、貼合、切割等流程，陣列鏡面膜層多達幾十層且每個鏡面反射/透射比不同，需 要鍍不同層數的膜，貼合合時多鏡面間平行度要求極高，總良率難以保證，此外，貼合后的切割角度也會影響成像質量。 若采用二維擴瞳技術，量產難度進一步提升，理論上量產成本比一維擴瞳高4-5倍。 ? 明暗條紋：半透半反鏡面陣列天然存在明暗條紋，影響美觀。

 技術升級關鍵： 1）鍵合技術升級：分子鍵合技術代替傳統膠水貼合，即利用分子間范德華力使鏡片緊密平整地貼合，加強鍵合強度、 提升貼合面平整度，且不受膠水折射率影響，由于貼合玻璃片數量較多、精度要求較高，實際工藝流程中仍有較大難度。 2）鍍膜、鍵合等核心環節自動化設備的開發； 3）支持屈光度定制，代替外加近視鏡片的方案，更加輕薄化。

2.表面浮雕光波導：量產難度較低，彩虹效應等問題亟待解決

成像原理：  表面浮雕光柵（Surface Relief Grating，SRG）：具有周期性變化結構/凹槽的光柵結構，一般分為一維光柵（矩形光柵/傾斜 光柵/閃耀光柵等）和二維光柵（柱狀光柵等）。  衍射原理：光束入射光柵后會被分束為多個不同方向的衍射級次，通過調節光柵周期/占空比/深度等參數優化衍射效率，能 使得某個方向的衍射光束具有最高衍射效率（通常選擇非0衍射級次作為工作級次），實現光束定向傳輸。 ? 表面浮雕光波導原理：基于上述衍射原理，通過表面浮雕光柵耦入波導片，在波導片中全反射后通過表面浮雕光柵耦出進 入人眼，實現一維擴瞳，二維擴瞳一般通過轉折光柵或二維光柵實現。

衍射光波導二維擴瞳：  轉折光柵：轉折光柵二維擴瞳IP主要由微軟和Vuzix持有，體全息光波導廠商Digilens也采用類似的轉折光柵技術，如左圖， 光束從入射光柵進入轉折光柵，轉折光柵實現水平擴瞳的同時將光束反射進入出射光柵，最終由出射光柵完成垂直擴瞳和 耦出過程。 二維光柵：以WaveOptics柱狀光柵擴瞳為例，光束通過入射光柵進入波導片后，通過出射光柵（二維光柵）實現多方向的 擴束以及光束的耦出。二維光柵設計難度非常高，需要控制耦出光線的均勻性，相比于轉折光柵，二維光柵擴瞳減少了光 損耗，增大了出射光柵面積，有效擴大EyeBox范圍。

表面浮雕光波導量產難度較低： 1）母版制備：基于半導體加工工藝，旋涂抗蝕劑層—干涉/電子束曝光—反應離子刻蝕—去除抗蝕劑層。 2）批量生產：一般采用紫外線納米壓印光刻法批量生產，母版—步進母版—旋涂壓印膠—結構壓印—紫外線曝光固化—功 能性圖層覆蓋波導—激光切割。

 前沿工藝：  殘膠層控制：納米壓印過程中往往會留下殘膠層，而殘膠層對光學性能有影響，因此需要盡量減小甚至去除殘膠層，2023年 Digilens發布的SRG+工藝能夠實現無殘膠層的SRG結構。  納米壓印+刻蝕（NIL+Etching）：將低折射率樹脂作為后期干法刻蝕的可犧牲層，納米壓印后用干法刻蝕將殘膠層刻透并刻 蝕至下方玻璃層，再將樹脂納米壓印膠去除。這種工藝的光柵折射率RI可達2.0以上，可靠性更高，但工藝難度和成本都更高。

 材質：樹脂vs玻璃。樹脂密度僅為玻璃的1/4-1/3，且具備抗摔等特性，23年魅族、努比亞等AR眼鏡均采用樹脂SRG光波導。 樹脂的缺陷在于折射率低，樹脂折射率普遍為1.74，而玻璃材質可達2.0，影響fov和色彩均勻性。從成本角度，樹脂成本理論 上較玻璃低，但由于目前良率較低，成本優勢并不明顯。

3.體全息光波導：理論優勢明顯，材料&工藝要求高

體全息光柵（Volume Holographic Grating，VHG）：通過雙光束全息曝光技術在介質中形成干涉條紋，從而獲得折射率周期 性變化的光柵結構，當介質的厚度遠大于光波長時這種結構稱為體全息光柵。體全息光波導基于衍射原理，將體全息光柵作 為光線耦入和耦出的器件。體全息光波導包括反射式和透射式，其中反射式方案應用更多。  全彩-體全息波導：使用三色激光器同時加工，或采用多層波導片方案分離RGB光路，提升色彩均勻性。  二維擴瞳：與SRG光波導類似，分為轉折光柵和二維矢量兩個路徑。

 相比于表面浮雕光波導，體全息光波導理論優勢明顯：1）衍射效率更高：理論上在滿足布拉格條件時，體全息光柵衍射效 率可達100%；2）成像更優：由于體全息本身的角度選擇性和波長選擇性，不存在漏光問題，可通過光機和光柵設計優化大 幅減弱彩虹效應；3）可能打破視場角限制：采用特殊全息材料可打破波導基體折射率帶來的視場角限制；4）量產成本低： 無需投資SRG納米壓印方案中制作母版的機器和母版制作的成本，在復用性和降本上有明顯優勢。

體全息光波導制造：  將感光膠涂布在玻璃/樹脂基底上曝光制造，或在膜片上制造成全息光柵后復合或轉移到玻璃/樹脂波導上。  索尼卷對卷工藝：1）雙束干涉曝光法在光敏聚合物薄膜上形成體全息圖案；2）通過注射成型獲得塑料波導；3）體全息薄 膜與塑料波導對準貼合后切割成指定圖案；4）配色，將紅、藍波導和綠色波導對準并用UV樹脂封裝固定。  Digilens波導印刷工藝：核心是超高折射率全息光聚合物（光聚合物+液晶），工藝分為母版制作和波導印刷，靈活性高，可 實現數字化模板設計。

量產難點：體全息光柵是基于材料特性而開發的制程工藝，因此核心難點在于全息材料的選擇和制備，材料將直接影響全息 涂層均勻性和波導Fov等光學性能。此外，實際量產時曝光/生產的環境穩定性要求非常嚴格，濕度/溫度/流通性都會影響效果。  主要玩家：海外代表公司包括索尼、Digilens、Akonia（蘋果收購），國內包括水晶光電、谷東科技、三極光電等。