瑞声科技（AAC）陶洪焰：衍射光波导工艺路线展望

2023年9月6日，由VR陀螺联合CIOE中国光博会主办、恒悦创客魔方协办的“光遇•第四届中国AR技术应用高峰论坛”在深圳会展中心顺利举办。

该活动以“光遇”为主题，聚焦AR在光学技术、工艺制作方面的突破以及应用场景和发展机遇。来自JBD、耐德佳、莫界科技、瑞声科技、谷东科技、MKS、VR陀螺的行业嘉宾为到场观众带来了精彩的分享，演讲内容干货满满。

其中，瑞声科技（AAC）市场部副总裁、XR业务总经理 陶洪焰为与会来宾奉上了“衍射光波导工艺路线展望”的主题演讲。

以下为演讲实录（内容略有删减调整）：

大家好，我是瑞声科技AR/VR业务负责人陶洪焰，今天主要想从瑞声科技自身的视角来跟大家探讨一下衍射光波导的技术和工艺的发展路径。

我始终认为，所有技术的发展最终都要回归到对于产品本身和用户诉求的理解。

大家理想中的AR眼镜应该是“时尚的电子产品”。AR眼镜是戴在人的头上，首先它必须得是好看的，因此大多数时候对于时尚属性的要求甚至超过电子产品本身的属性。

第二是好用，它要使用起来方便，并且能真正给我们带来价值。从光学的角度来理解，就是要有优秀的显示效果，能适配更多不同的人群，更容易穿戴和使用。

第三，作为一个消费型产品，合理的价格也是至关重要的，必须让更多用户用得起。我们不希望每一个新出来的AR眼镜都卖到3499美元。

基于以上对产品的理解和要求，我们往下去拆解一个维度。要实现理想中的AR眼镜，在AR光学技术层面还面临诸多挑战。

一是舒适的眼镜形态，想要达到这一效果，首先需要保证眼镜重量轻、厚度薄和体积小；其次它要有大的眼动范围，能够适配更多人群；最后要有友好的ID设计，让大家能够更容易设计出这种眼镜形态。

二是好的显示，成像质量高，想要达到这一效果需要AR眼镜拥有大的视场角、高亮度动态范围以及不错的色彩均匀性和亮度均匀性。

三是价格合理，从成本的角度来看，首先得控制材料成本，其次工艺要简单，保障高产能、制程成熟的同时实现高良率，这样才能够给产品带来合理的成本范围。

从目前产业现状来看，光学显示领域的AR近眼显示主要分为两大技术路线：一是基于半透半反的几何光路模型，二是光波导。

几何光学的光路系统的优势在于设计和制程工艺已相对成熟，更容易拿出一个显示还不错的产品。但是它存在一些固有的问题，比如厚度、体积和视场角成正比，但视场角和眼动范围成反比，无法同时兼顾。从这两点来看，基本上已趋近于物理极限，很难再去压缩体积。既然体积和形态无法改变，那就很难达到AR眼镜最基础的使用门槛要求。

光波导也有几种不同的解决方案，包括基于几何光路的阵列光波导、基于衍射光路的表面浮雕光栅光波导和体全息光波导。这几个技术都能有效解决设备体积、厚度和重量的问题，由于它能做扩瞳设计，所以也能够在视场角和眼动范围之间做到很好的平衡。看起来光波导能解决我们对眼镜形态产品的基础要求，但它也带来了新的技术问题，比如光学效率利用率低、工艺不成熟导致成本偏高等等。

对于传统几何光路，它已经趋于物理的瓶颈，很难再往前去做进一步的演进。那让我们聚焦在光波导方面，看看它是什么样的状况。

首先看几何阵列光波导，其实它也算是几何光路，所以在设计和实践上还算简单。所以国内有一些初创公司专注在这个领域去做产品。但是阵列光波导有两个比较大的问题需要去解决。

第一，因为它是通过很多小的棱镜镀膜之后去胶合，其实这个技术也发展很多年了，但是截至目前为止还没有一个相对成熟和可依赖的生产工艺，所以它最后的良率、成本、产能都还无法让人满意，如果将来真正大量生产和商业化的话，都会是很大的困难。

另外一个问题我认为更为重要，因为它是用几何结构去实现的光波导，所以相对来讲是一个显性专利，而且主要的专利现在都在一家以色列公司叫“Lumus”公司的手里。截至目前为止大家想使用这个技术几乎都绕不过它，最后就导致不管是小公司还是大公司、头部玩家，几乎很少有人愿意再去基于那个阵列光波导做一些产品的尝试。

除开几何光波导，再看看体全息光栅和表面浮雕光栅，这是衍射领域的两个技术。

体全息光栅是通过全息曝光在光敏材料内部形成折射率的周期性变化，从而形成光栅结构的光学显示器件。既然是通过曝光形成的光栅结构，而且承载光栅的介质是某种光敏材料，这就意味着在太阳光这种宽光谱、高强度的光线照射下，材料的稳定性会是一个比较大的问题。现在业界真正能拿出产品的仅有一家美国公司，但这家公司从未针对这项工艺的可靠性和稳定性问题做出正面回答。

表面浮雕光栅目前行业内比较多的工艺是纳米压印浮雕光栅。它是在玻璃晶圆上面悬涂一层压印胶——压印胶是光学树脂，因为它的折射率不够，所以会再往里面掺一些高折率的粒子，去提升光栅材料和光栅介质的折射率。在悬涂了压印胶之后，用一种类似盖图章的方式，把光栅结构转移到晶圆上面从而形成的光学器件。对于玻璃基底，它的光栅介质材料还是会存在一个问题，因为它也是一种光敏材料，所以在光学下的可靠性，以及玻璃基底和光栅介质之间在时间久了之后、或是经历冷热冲击之后的剥离可能都会是比较大的风险。

刻蚀表面浮雕光栅是一种新的工艺，它是通过在玻璃晶圆上镀一层高折射率的介质膜，然后再通过在介质膜上生成光栅的方式，去形成光栅结构的光学器件。刻蚀表面浮雕光栅能带来以下好处。

首先它是高折光栅和高折玻璃，所以能让设计的自由度更高，能够兼容大的FOV和更高的光效。刻蚀所用的介质材料是在压印胶里掺杂高折的粒子，所以能把光栅的折射率提升到2.4，这可能是现在已知材料里的一个极限。从玻璃基底的选择上，我们也有更大的空间，更高的玻璃折射率会带来更大的全反射角度，对FOV的设计会有很大的帮助，而高折的光栅对于最后的光效也有帮助，这样就能实现光效和FOV的平衡。

第二，这种设计有机会把RGB三层光路压缩到一层单片的玻璃里，而不像纳米压印因为折射率的问题，是把RGB分到三层或者RGGB分到两层里去。这样带来的直观好处是省掉了做像素级叠合的过程，对于整体的成像质量以及MPF的解析度都会有很大的帮助。

第三，因为它最后能压缩成单片全彩的光波导器件，所以在厚度、重量、透过率、以及工艺和成本上，都能给极致轻薄的眼镜形态产品设计带来很大的好处。

目前瑞声科技与业内知名的光波导方案商Dispelix合作，尝试从设计到生产打通整个链路，提供完整的刻蚀光栅方案。其中Dispelix主要负责标准品的设计，以及基于客户诉求的定制化设计。而瑞声科技负责生产线的搭建，工艺的调优，整个生产制造，全球配送以及售后服务。

刻蚀工艺和纳米压印工艺有什么不同？第一道工艺就不一样。刻蚀是在玻璃基底上先镀一层高折的介质材料，然后在这上面再镀一层保护层。第二步还是需要通过纳米压印把光栅结构转移到晶圆上去。然后再加上刻蚀工艺，用干刻和湿刻这些晶圆的制造方法把光栅转移到高折射率的介质材料上去。

后道工艺看起来简单，但是这里有两个点我想快速跟大家分享一下。一个是所有的晶圆在分割的时候都需要切割，但是高折玻璃会比较脆。我们自己内部的工艺和设备的公司经过一年多的研究，摸索出来一套特别的切割制程和方法，能够把边缘包括崩边和边缘的瑕疵控制在30微米以内。另外一个就是涂黑，对于光波导涂黑要想保证均匀其实也是蛮难的。我们也是花了很长的时间去做了工艺上的一些开发。

另外在测试和测量方面，瑞声作为光学的头部厂商，我们所有的检测和测试的设备都会in house地去具备这些能力，包括灰尘瑕疵检测的扫描电镜，还原光栅结构的原子力显微镜，膜厚的椭偏仪，拉曼光谱仪，以及去看光刻胶残留的气质联动仪等等。

瑞声科技1993年成立，总部位于深圳，2005年已在香港上市，全国有3万名左右员工，去年营收超200亿元。瑞声科技是一个注重产品和研发的公司，每年会将营收的至少10%投入到研发技术方面，因此我们有超过1万项全球发明专利。

在产品业务板块，瑞声科技能够提供声学、光学、触感、传感器及半导体、精密制造等领域解决方案，基本上涵盖所有消费电子和汽车电子领域的产品和产品线，有数以十亿计的出货给全球各个头部的品牌厂商。我们在研发上的投入一直都比较大，因此在全球都有研发中心，在中国有将近10个，在韩国、日本，美国，以及欧洲的英国、丹麦和芬兰都有我们的研发中心。因此在专利上面我们有超过1万件的发明专利，其中海外的专利占比近四成。

我今天的分享就到这里，谢谢大家！