AR光波导方案对比分析

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按照耦入耦出器件的不同，光波导可分为几何光波导和衍射光波导，其中几何光波导以阵列光波导为主导，衍射光波导又 分为表面浮雕光栅光波导（SRG）和体全息光波导（VHG）。

1.阵列光波导：成像效果优秀，量产难度较大

阵列光波导：成像效果优秀，二维扩瞳解决了光机体积与视场角、EyeBox的矛盾。  一维扩瞳：光线通过反射镜耦入波导片，在波导片中经过多轮全反射后到达半透半反镜面，部分光线反射耦出进入人眼， 未耦出光线透过镜面到达下个镜面，重复反射/透射过程，直至最后一个镜面将剩余光线全部耦出到人眼。一维扩瞳阵列光 波导能将EyeBox从4mm扩大到10mm+，且杂散光少，光线调制均匀，成像质量、色彩以及对比度水平较高。

 二维扩瞳：在两个区域分别设置反射阵列，第一个区域实现一个方向的扩瞳，同时将光束传导至第二个区域，进行另一个 方向的扩瞳，可以是纵向→横向扩瞳，也可以是横向→纵向扩瞳。二维扩瞳阵列光波导解决了光机体积与视场角、EyeBox 的核心矛盾，能够有效增加EyeBox和视场角（可达50%+），显著减小光机体积，更好地满足消费级用户对AR眼镜的形态 体积以及成像效果的要求。

 优势总结：阵列光波导除了拥有光波导共有的轻薄化优势外，相比于已量产的表面浮雕光栅衍射光波导，其成像效果更为 优秀（杂散光少/色彩均匀/EyeBox&视场角较大/分辨率高），几乎无漏光问题（1%-5%），且光损较低，可以减小光机功耗 增加续航。

核心问题：量产难度大，明暗条纹影响美观。 量产难度大：阵列波导制作涉及镜面镀膜、贴合、切割等流程，阵列镜面膜层多达几十层且每个镜面反射/透射比不同，需 要镀不同层数的膜，贴合合时多镜面间平行度要求极高，总良率难以保证，此外，贴合后的切割角度也会影响成像质量。 若采用二维扩瞳技术，量产难度进一步提升，理论上量产成本比一维扩瞳高4-5倍。 ➢ 明暗条纹：半透半反镜面阵列天然存在明暗条纹，影响美观。

 技术升级关键： 1）键合技术升级：分子键合技术代替传统胶水贴合，即利用分子间范德华力使镜片紧密平整地贴合，加强键合强度、 提升贴合面平整度，且不受胶水折射率影响，由于贴合玻璃片数量较多、精度要求较高，实际工艺流程中仍有较大难度。 2）镀膜、键合等核心环节自动化设备的开发； 3）支持屈光度定制，代替外加近视镜片的方案，更加轻薄化。

2.表面浮雕光波导：量产难度较低，彩虹效应等问题亟待解决

成像原理：  表面浮雕光栅（Surface Relief Grating，SRG）：具有周期性变化结构/凹槽的光栅结构，一般分为一维光栅（矩形光栅/倾斜 光栅/闪耀光栅等）和二维光栅（柱状光栅等）。  衍射原理：光束入射光栅后会被分束为多个不同方向的衍射级次，通过调节光栅周期/占空比/深度等参数优化衍射效率，能 使得某个方向的衍射光束具有最高衍射效率（通常选择非0衍射级次作为工作级次），实现光束定向传输。 ➢ 表面浮雕光波导原理：基于上述衍射原理，通过表面浮雕光栅耦入波导片，在波导片中全反射后通过表面浮雕光栅耦出进 入人眼，实现一维扩瞳，二维扩瞳一般通过转折光栅或二维光栅实现。

衍射光波导二维扩瞳：  转折光栅：转折光栅二维扩瞳IP主要由微软和Vuzix持有，体全息光波导厂商Digilens也采用类似的转折光栅技术，如左图， 光束从入射光栅进入转折光栅，转折光栅实现水平扩瞳的同时将光束反射进入出射光栅，最终由出射光栅完成垂直扩瞳和 耦出过程。 二维光栅：以WaveOptics柱状光栅扩瞳为例，光束通过入射光栅进入波导片后，通过出射光栅（二维光栅）实现多方向的 扩束以及光束的耦出。二维光栅设计难度非常高，需要控制耦出光线的均匀性，相比于转折光栅，二维光栅扩瞳减少了光 损耗，增大了出射光栅面积，有效扩大EyeBox范围。

表面浮雕光波导量产难度较低： 1）母版制备：基于半导体加工工艺，旋涂抗蚀剂层—干涉/电子束曝光—反应离子刻蚀—去除抗蚀剂层。 2）批量生产：一般采用紫外线纳米压印光刻法批量生产，母版—步进母版—旋涂压印胶—结构压印—紫外线曝光固化—功 能性图层覆盖波导—激光切割。

 前沿工艺：  残胶层控制：纳米压印过程中往往会留下残胶层，而残胶层对光学性能有影响，因此需要尽量减小甚至去除残胶层，2023年 Digilens发布的SRG+工艺能够实现无残胶层的SRG结构。  纳米压印+刻蚀（NIL+Etching）：将低折射率树脂作为后期干法刻蚀的可牺牲层，纳米压印后用干法刻蚀将残胶层刻透并刻 蚀至下方玻璃层，再将树脂纳米压印胶去除。这种工艺的光栅折射率RI可达2.0以上，可靠性更高，但工艺难度和成本都更高。

 材质：树脂vs玻璃。树脂密度仅为玻璃的1/4-1/3，且具备抗摔等特性，23年魅族、努比亚等AR眼镜均采用树脂SRG光波导。 树脂的缺陷在于折射率低，树脂折射率普遍为1.74，而玻璃材质可达2.0，影响fov和色彩均匀性。从成本角度，树脂成本理论 上较玻璃低，但由于目前良率较低，成本优势并不明显。

3.体全息光波导：理论优势明显，材料&工艺要求高

体全息光栅（Volume Holographic Grating，VHG）：通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹，从而获得折射率周期 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。体全息光波导基于衍射原理，将体全息光栅作 为光线耦入和耦出的器件。体全息光波导包括反射式和透射式，其中反射式方案应用更多。  全彩-体全息波导：使用三色激光器同时加工，或采用多层波导片方案分离RGB光路，提升色彩均匀性。  二维扩瞳：与SRG光波导类似，分为转折光栅和二维矢量两个路径。

 相比于表面浮雕光波导，体全息光波导理论优势明显：1）衍射效率更高：理论上在满足布拉格条件时，体全息光栅衍射效 率可达100%；2）成像更优：由于体全息本身的角度选择性和波长选择性，不存在漏光问题，可通过光机和光栅设计优化大 幅减弱彩虹效应；3）可能打破视场角限制：采用特殊全息材料可打破波导基体折射率带来的视场角限制；4）量产成本低： 无需投资SRG纳米压印方案中制作母版的机器和母版制作的成本，在复用性和降本上有明显优势。

体全息光波导制造：  将感光胶涂布在玻璃/树脂基底上曝光制造，或在膜片上制造成全息光栅后复合或转移到玻璃/树脂波导上。  索尼卷对卷工艺：1）双束干涉曝光法在光敏聚合物薄膜上形成体全息图案；2）通过注射成型获得塑料波导；3）体全息薄 膜与塑料波导对准贴合后切割成指定图案；4）配色，将红、蓝波导和绿色波导对准并用UV树脂封装固定。  Digilens波导印刷工艺：核心是超高折射率全息光聚合物（光聚合物+液晶），工艺分为母版制作和波导印刷，灵活性高，可 实现数字化模板设计。

量产难点：体全息光栅是基于材料特性而开发的制程工艺，因此核心难点在于全息材料的选择和制备，材料将直接影响全息 涂层均匀性和波导Fov等光学性能。此外，实际量产时曝光/生产的环境稳定性要求非常严格，湿度/温度/流通性都会影响效果。  主要玩家：海外代表公司包括索尼、Digilens、Akonia（苹果收购），国内包括水晶光电、谷东科技、三极光电等。