扫描波导方案：在手机摄像头尺寸下实现 >30 MP 显示

Y. Henry Wen¹’²　Matt Saha¹　Matthew Zimmermann¹　Andrew S. Greenspon¹’²　Alex Witte¹　Yin Min Goh²　Chao Li²　Jonathan Bumstead³　Kevin Schädler⁴　Kevin J. Palm¹’²　Mark Dong¹’²　Andrew J. Leenheer¹’²　Genevieve Clark¹’²　Gerald Gilbert⁵　Matt Eichenfield⁶’⁷’⁸　Dirk Englund²’⁴

¹美国马萨诸塞州贝德福德 MITRE 公司 · ²美国马萨诸塞州剑桥 麻省理工学院电子学研究实验室 · ³美国弗吉尼亚州麦克莱恩 MITRE 公司 · ⁴美国马萨诸塞州剑桥 Axiomatic AI 公司 · ⁵美国新泽西州普林斯顿 MITRE 公司 · ⁶美国新墨西哥州阿尔伯克基 桑迪亚国家实验室 · ⁷美国亚利桑那州图森 亚利桑那大学光学科学学院 · ⁸美国科罗拉多州博尔德 科罗拉多大学博尔德分校电气、计算机与能源工程系

1. 引言 (INTRODUCTION)

用于增强现实的近眼显示器面临着一个光学缩放悖论：现代智能手机摄像头在紧凑的模块内能轻松超过数千万像素，但与之体积相当的投影仪却不存在。这种不匹配的根源在于 etendue（辐射亮度守恒）：对于固定的视场角（field-of-view）和眼盒（eye-box）/瞳孔几何形状，要在高亮度下产生许多可解析的空间模式，需要足够的光学相空间（optical phase-space）（面积 $\times$ 立体角）和辐射亮度（radiance）。

摄像头像素之所以可以做到极小，是因为它们测量透镜传输的光；而显示器必须向所需的角度/眼盒发射光。在不缩小视场/眼盒的情况下缩小发射光斑，会迫使更高的辐射亮度（更多的光功率/热负荷）或更大的光学器件。这种缩放压力在 micro-LED ($\mu$LED) 显示器中尤为明显：随着像素间距缩小，为了维持日光级的亮度（nits），会导致更高的电流密度和发热，同时效率在微小尺寸下会发生降解；此外，瞳孔扩展/复制技术会损失大部分光源功率（通常 >95%）。

展望未来，光场/全息和直接瞳孔复制概念需要高密度的相干、低 etendue 发射器，而传统的非相干光源无法提供。除了 etendue 因素外，激光具有窄带和偏振特性，能够实现更窄带的合束器（减少眼睛反光）并提高与偏振选择性波导合束器的耦合效率。

这促使我们设计了一种投影架构，该架构在透镜物平面上放置了一个密集的衍射极限点源网格，并利用手机级的光学器件来中继和放大。这一框架还突显了一个实际的技术权衡空间：目前的近眼引擎通常在体积像素密度（pixels/cc）与每单位电池容量的亮度-寿命（brightness-lifetime per battery capacity）（例如：每安培小时的眼位尼特小时数）之间进行权衡。LCoS、激光扫描和 $\mu$LED 方案占据了不同的区域，但很少能同时达到最优状态。我们的目标是朝着这一极限迈进，方法是：(i) 使用纳米级波导发射器以实现极高密度下的衍射极限光斑；(ii) 利用成熟、高产量的手机摄像头微光学器件来高效地中继和放大这些光斑。

2. 系统概念：扫描波导作为可编程点源

我们通过压电驱动的扫描波导（"photonic ski-jumps"）阵列来实现这一方法，该阵列是在 CMOS 兼容的光子平台上制造的。每个器件将引导光引导至纳米级的波导尖端，尖端被动地向平面外卷曲并产生高数值孔径（high-NA）的衍射极限光束，同时悬臂运动（cantilever motion）使输出光束在二维场中进行扫描。

对于显示应用，架构上的转变是将每个扫描器视为一个可重构的点源，其发射的光束通过紧凑的微光学器件（最终是手机摄像头透镜）进行中继，从而形成高分辨率的投影图像（如图 1 所示）。图 1（左）从多个层面总结了这一构思：(a) 现有的集成光子构建模块如何在芯片上提供高速控制；(b) “ski-jumps”如何通过扫描衍射极限发射器来提供时间到空间的模式转换；(c-e) 这些器件是如何在晶圆级平台上制造和排列的。

图 1（左，b）中的基准图对比了各种代表性光束扫描方法（如 AOD 及相关的电/声光扫描器、MEMS 微镜、扫描纤维以及相关的 NEMPIC 执行器）在调整占地面积后的像素密度和刷新率，从而证明了使用纳米级孔径结合轻量化共振驱动器的合理性。

3. 微光学集成 (MICRO-OPTIC INTEGRATION)

微光学集成是将扫描波导阵列转化为实用 AR/VR 光机的核心。为了证明其与小型化光学器件的兼容性，我们使用了 iPhone 15 Pro 的主摄像头镜头组件（一种量产的模制微光学器件）进行了中继实验，对 ski-jump 的发射进行成像（图 2，左）。在 $50 \text{ mm}$ 的光学总长（optical track length）下，约 $158 \text{ \mu m}$ 的片上发射弧段在像平面上被放大至约 $1.45 \text{ mm}$（约 $9.2\times$ 放大）。光斑测量显示，像平面的平均光斑尺寸约为 $20.7 \text{ \mu m}$，对应反推得到的片上艾里斑半径（Airy radius）约为 $1.69 \text{ \m um}$。这与 $f/1.78$ 镜头在 $737 \text{ nm}$ 波长下预期达到 Rayleigh ($MTF=0.1$) 解析能力的 $\sim 1.67 \text{ \mu m}$ 相匹配。这些结果证实，利用量产的微型光学镜头，在约 $50 \text{ mm}$ 的光路长度内可以实现高质量的光束中继。

为了进一步验证和优化该方法，我们对小型化多片式塑料非球面成像中继系统进行了 Zemax 仿真（图 2，右）。该设计目标是在可见光波长（$486/588/656 \text{ nm}$）下实现紧凑型 ski-jump 成像，数值孔径 $NA \approx 0.6$，并在弯曲物面（半径 $\sim 600 \text{ \mu m}$）上追踪 $175 \text{ \mu m}$ 的扫描范围。该中继系统采用七片塑料非球面镜片，在 $18.4 \text{ mm}$ 的总光路长度下实现约 $30\times$ 的放大倍率；ski-jump 到最后一个光学表面的距离约为 $6.5 \text{ mm}$。优化过程包括 13 个视场位置，以校正扫描范围和波长范围内的像差，其点列图（spot diagrams）接近衍射极限（像平面艾里斑半径 $\sim 18.0 \text{ \mu m}$），且 MTF 曲线在感兴趣的空间频率范围内基本保持在衍射极限附近（遵循 $MTF > 0.2$ 的启发式标准）。综上所述，这些测量和仿真为在不显著降低光束质量的前提下减小系统体积提供了一条可行路径。

4. 结果与通往高分辨率投影的路径 (RESULTS AND PATH TO HIGH-RESOLUTION PROJECTION)

我们已经验证了实现阵列级投影所需的核心构建模块。我们在一个 $8 \times 8$（64 个器件）的阵列上测得其 die-scale（芯片级）弯曲均匀性表现强劲：49/64 的器件（76.6%）处于 $\pm 2.5\%$ 的曲率带内，这为可制造的平铺集成提供了支持。在器件层面，分体电极（split-electrode）的 ski-jumps 实现了二维谐振光束扫描以及图像/视频投影（见图 1，右）。

技术经济扩展性： 在单个 $5 \times 5 \text{ mm}$ 芯片上平铺约 250 个扫描器，意味着在 $2 \text{ \mu m}$、$1 \text{ \mu m}$ 和 $0.5 \text{ \mu m}$ 的光斑间距下，分别可以实现约 8 MP、约 30 MP 以及 >100 MP 级的光斑网格（基于高填充率假设）。单个 $200 \text{ mm}$ 晶圆在高封装密度下可支持 >1200 个 $5 \times 5 \text{ mm}$ 的芯片，这提供了一条可靠的晶圆级成本路径，在大规模量产时，单芯片成本有望降至 <$100（不包括封装、测试和光源）。

关键的去风险（de-risking）目标包括：阵列均匀性（例如在约 1600 个器件上实现 $Cpk > 1.33$）；加速寿命测试（例如通过 $10^{10}$ 次循环测试以投影实现 $\geq 1$ 年的平均无故障时间（MTBF））；系统协同设计（通过一个涵盖手机镜头组、芯片级 RGB 光源和晶圆级真空封装的“数字孪生”（digital twin）来实现）。

投影光斑容量与光学体积的对比： 为了将微光学封装直接与可扩展显示器联系起来，我们对比了各种代表性扫描/成像方案的可解析光斑数与光学体积（图 3，左）。我们报告了 100% 自覆盖（self-coverage）状态（每个 ski-jump 扫描其完整的 $\sim 0.1 \text{ mm}^2$ 占用面积）和当前的 27% 状态。遵循 Renshaw 等人的方法，我们定义了一个与比例无关的体信道密度 $VCD = N_{\max}/V^{2/3}$，并通过结合光学焦平面视场（FoV）内的填充率（$\eta \approx 0.9$）、单个器件的扫描面积以及衍射极限光斑面积，计算出投影光斑总数。

5. 结论 (CONCLUSION)

通过将 CMOS 制造的扫描波导与紧凑的微型光学中继系统（包括已验证的与量产智能手机摄像头镜头的兼容性）相结合，我们勾勒出一条通往用于 AR/VR 的超高分辨率、紧凑型光机的路径。

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