高性能大 FoV 衍射光波导技术进展

Xin Cheng　Huiying Wu　Rudong Wei　Jing Qian　Kehan Tian

GoerOptics Technology（歌尔光学）· 山东省潍坊市浞河路3999号, 261061

1. 引言（INTRODUCTION）

过去五年，增强现实（AR）行业的飞速发展伴随着衍射波导（WG）技术的重大进步。小 FoV 角度（<30°）的波导方案已达到技术成熟度，并满足了轻便智能眼镜的核心光学要求。

受市场对增强沉浸式体验需求的驱动，波导研发持续推进，主要焦点是将 FoV 扩大到 50°-70°。在单片波导中应对大 FoV 的技术需求需要不同的路径，包括使用更高折射率（RI）的衬底，这使得刻蚀工艺取代了纳米压印（NIL）。其他新颖的技术挑战包括鬼像、有限的光学效率和低透过率。本文深入研究了大 FoV SRG 波导的挑战与机遇，并介绍了 GoerOptics（歌尔光学）的解决方案。

2. AR 光学的挑战（CHALLENGES IN AR OPTICS）

AR optics | AR 光学

AR 光学的主要技术挑战集中在光机（LE）、波导（WG）和 AR 模组。光机的发展趋向于全彩显示、更高空间分辨率和极致小型化。波导研究侧重于提高亮度、改善均匀性、抑制彩虹伪像、减少漏光、降低反射率和减重。在系统层面，AR 模组正朝着像素级 de-mura（亮度均匀性校正）、集成处方镜片方案和优化工业设计方向发展。

WG Technologies | 波导技术

波导技术通常分为反射式和衍射式。反射式波导包括几何光波导（LOE）和基于针孔的设计；衍射式波导则包括衍射光学元件（DOE）和全息光学元件（HOE）类型。本研究重点关注 SRGs，这是一种基于 DOE 的波导。

Human Vision and FoV | 人眼视觉与 FoV

在双目视觉中，中央 25° 区域支持高敏锐度任务，而外围视觉则有助于平衡感、存在感和视觉搜索。因此，小 FoV（<30°）的智能眼镜适用于高敏锐度应用，而更大的 FoV 对于沉浸式体验是必需的。

3. 大 FoV 波导的挑战（CHALLENGES IN LARGE FOV WG）

大 FoV 给波导的架构、材料、工艺和光学性能带来了独特挑战。

Architecture | 架构

增加 FoV 的一种方法是堆叠多层波导片以支持更宽的光谱。如图 1 所示，在相同衬底折射率（RI）下，双片波导比单片设计增加约 25° 的 FoV。虽然这种架构已在早期的 AR 系统（如 Magic Leap 1 和 2）中应用，但它显著增加了重量和厚度，使其在消费级 AR 眼镜中的青睐度较低。

Substrates | 衬底（基底）

实现单片大 FoV 波导需要高 RI 衬底。表 1 列出了 SRG 波导候选衬底的折射率和最大 FoV。如第 2 图中的 k-space（k 空间）图所示，低 RI 衬底受限的全反射（TIR）带宽限制了 FoV，而高 RI 衬底能实现显著更大的 FoV。然而，高 RI 材料并非简单的替代品，它们在加工制造和光学性能方面带来了巨大挑战。

Processes | 工艺

高折射率（High RI）衬底对于大 FoV 波导（WG）至关重要，但由于缺乏合适的高 RI 纳米压印（nanoimprint）材料，必须采用直接刻蚀工艺。虽然电感耦合等离子体（ICP）刻蚀对二元光栅（binary gratings）有效，但更复杂的结构（如倾斜光栅，slanted gratings）则需要反应离子束刻蚀（RIBE），因为它能精确控制侧壁角度和深度。然而，RIBE 在工业实践中相对不成熟，面临着产出量（throughput）和晶圆内均匀性（within-wafer uniformity）的挑战。GoerOptics（歌尔光学）已建立了制造倾斜光栅的能力（如图 3 所示），并持续研究以进一步提升 RIBE 设备集和工艺，从而满足大 FoV AR 光学的严苛要求。

除了工艺之外，大 FoV 波导在光学性能方面也面临主要挑战，如下所示：

Ghost Image | 鬼像

当来自波导的反射光进入光机（LE）时，会产生如图 6（左）所示的鬼像。在小 FoV 架构中这种情况并不严重，但在大 FoV 中则成为一个问题，因为反射光进入 LE 的几率更高（见图 4）。为了解决这一问题，必须显著减少反射光。

一种方法是引入精心设计的倾斜结构（slanted structures），它能将能量更多地引向理想方向，并减少流向 LE 的反射能量。图 4（右）显示了当入耦合光栅（in-coupler gratings）从二元结构变为倾斜结构时，反射率显著下降。

另一种方法是修整（trim）部分反射区域，但这种方法会导致入耦合效率（in-coupling efficiency）下降（见图 5），因此需要谨慎平衡反射与效率之间的权衡（tradeoff）。通过上述方法及进一步优化，我们已成功消除了鬼像，如图 6 所示。

Efficiency | 效率

大 FoV 架构在光学效率方面面临着更高的挑战，而这通常是光学性能中最关键的参数。如图 7 所示，可以通过引入更复杂的结构来提高效率。

二元光栅（Binary gratings）最易于制造；然而，它们无法高效地引导光线，且不可避免地存在漏光（leakage）问题。倾斜光栅（Slanted）、闪耀光栅（Blazed）、阶梯光栅（Stair-cased）以及超构光栅（Meta gratings）可被用于打破对称性并提高效率。

• 其中，倾斜光栅在效率和反射率之间提供了良好的平衡；
• 闪耀光栅和阶梯光栅提供了极高的效率，但可能需要其他措施来降低反射率；
• 超构光栅通过相位调节（phase adjustment）实现效率提升，它提供了最多的调控手段（knobs），同时也面临着最大的制造挑战。

Reflectivity | 反射率

AR 眼镜对透视（see-through）特性也有着严苛的要求，这需要波导（WG）具有低反射率。目前已探索了多种降低反射率的方法，包括应用多层精心设计的薄膜电堆（film stacks），以及应用有效折射率（effective RI）与波导电堆匹配的亚波长光栅（sub-wavelength gratings）。我们成功地将 SiC（碳化硅）波导的反射率从 35~40% 降低到了 <5%（如图 8 所示）。

Rainbow | 彩虹（彩虹伪像）

彩虹是一种光学伪像，主要由大入射角的环境光在非预定位置和角度发生出耦合（out-coupled）引起。在高折射率（High RI）波导中，彩虹问题比低 RI 波导更易解决，因为前者对入射角具有更大的容许角/接收角（acceptance angle），如图 9 所示。

4. 歌尔光学 SRG 波导产品组合

通过持续的技术开发，GoerOptics（歌尔光学）已确立了其在 XR 光学解决方案领域的先驱地位。作为该领域最早的进入者之一，公司建立了涵盖光学设计、工艺开发、光学测试和制造的全面能力。图 9 展示了歌尔光学 SRG 波导的产品组合，涵盖了广泛的 FoV（视场角）范围，并在效率和色彩均匀性方面表现出卓越性能。

在 SPIE AR|VR|MR 2026 大会上，歌尔光学将揭晓其具有无感彩虹（invisible rainbow）效果的 50° FoV SiC（碳化硅）波导。该产品目前被公认为行业内能实现无缝 AR 体验的大 FoV 波导之一。它展示了在光学性能与可制造性之间取得平衡、通往沉浸式 AR 显示的切实路径。这一技术成就体现了公司在波导开发领域的专业实力。

5. 挑战与机遇

尽管取得了这些进展，用于沉浸式 AR 应用的大 FoV 波导开发仍面临重大挑战。全行业需要持续创新的领域包括光学性能、成本和重量，这些既代表了挑战，也代表了未来设备的机遇。

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