橢偏儀在AR衍射光波導行業中的應用

橢偏儀在AR衍射光波導行業中的應用

AR衍射光波導是什么？

目前，市面上較成熟的AR光學顯示方案主要有棱鏡方案、Birdbath方案、自由曲面方案和光波導方案等。各方案都有不同維度上的側重，但真正滿足AR產品需求的光學方案其實并不多。

較好的AR光學顯示方案還沒有出現，但光波導方案無論是從光學效果、外觀形態還是量產前景來說，都具備良好的發展潛力，可能會是AR眼鏡走向消費級的選擇。光波導方案可分為幾何光波導和衍射光波導兩種，幾何光波導由于制造工藝繁瑣，良率低，難以走進消費電子級市場，因此衍射光波導是目前較為主流的AR眼鏡光學顯示方案。衍射光波導通過光柵的衍射特性來設計“光路"，使光在設計好的路徑上傳播，將微投影系統發出的光導入人眼，要完成上述過程，必須經過耦入和耦出的過程，即光機發出的光線經過準直部后，以平行光出射，并以設定角度進入耦入光柵，經過耦入光柵衍射后，進入波導片中以全反射的形式向前傳輸，再經過耦出光柵輸出，最終在圖像成像部成像，如圖1所示。

圖1 衍射光波導原理圖

AR衍射光波導主要有利用光刻技術制造的表面浮雕光柵波導（Surface Relief Grating）和基于全息干涉技術制造的全息體光柵波導（Volumetric Holographic Grating）。得益于傳統光通信行業中設計和制造的技術積累，目前表面浮雕光柵占市場上衍射光波導AR眼鏡產品的大多數。

納米壓印是表面浮雕光柵波導批量生產中的常用方法，該工藝可分為兩個階段光柵子版制作和晶圓玻璃壓印。子版制作首先需要制作光柵母版，然后使用柔性基材進行軟膜壓印、固化、脫膜復制出多個子版；子版制作完成后，即可進行晶圓玻璃壓印。經過晶圓清洗、旋涂勻膠、納米壓印、固化、脫模等流程，便可將子版上的結構轉印到晶圓上面，完成批量生產。

圖2 晶圓玻璃壓印流程（來源：至格AR）

AR衍射光波導測量對象？

AR衍射光波導是利用光柵的衍射特性來設計光路，光柵的結構參數直接影響衍射效率和衍射方向，因此對光柵結構的精確表征能使光根據設計好的路徑傳播，將微投影系統發出的光導入人眼，由于AR光柵光學結構的特征尺寸從傳統幾何光學的毫米級別提高到了微納米級別，這就需要使用具有更高精度的測量設備來表征其結構信息。

此外，AR眼鏡作為一個沉浸式設備，需要AR近眼顯示有足夠大的視場角，而視場角由材料的折射率決定，折射率越高視場角越大，因此，測量玻璃晶圓和壓印膠的折射率對于判斷AR眼鏡是否具有足夠沉浸感十分必要。

橢偏儀測試優勢

玻璃晶圓尺寸涵蓋4寸-12寸，厚度一般大于0.5mm以上，配置200μm微光斑即可消除玻璃背面反射的影響。由于玻璃晶圓的折射率與膠膜折射率近似，需要用到紫外波段測量，建議波長范圍245-1000nm。頤光科技自主研發的ME-Mapping全自動高精度穆勒矩陣光譜橢偏儀采用了行業前沿的創新技術，包括消色差補償器、雙旋轉補償器同步控制、穆勒矩陣數據分析等，支持mapping路徑自定義設置，能一次完成膜厚和nk的多點掃描，實現了測量數據的高準確性和高重復性精度，可滿足光柵全形貌一次測量，其測量結果反應了光斑內結構的均勻效果，與AR實際使用場景一致，可精準匹配AR衍射光波導的測試需求。

圖3 ME-Mapping 光柵測量示意圖

橢偏儀測量演示

一、高折玻璃

對高折玻璃進行建模測量，其結構示意圖見圖4。

高折玻璃的橢偏光譜擬合結果如圖5所示，玻璃的nk如圖6所示，滿足工藝預期。

二、膠膜

對玻璃基底單層膠膜進行建模測量，其結構示意圖見圖7。

膠膜的擬合結果如圖8所示，膠膜擬合的nk曲線如圖9所示。

三、AR光柵

如圖10所示AR光柵結構中，TCD、BCD、Pitch、offset、T1、T2、SWA1、SWA2均為可測參數。

AR光柵的穆勒元素光譜擬合結果如圖11所示，計算光譜與測量光譜一致，GOF>0.95。

AR光柵測量的Accuracy和Stability如圖12所示，均在指標內。

             圖12 AR光柵測量Accuracy&Stability