文／VR陀螺 豌豆
2019年开始，AR的风口远远超过VR，成为了资本、市场、产业共同追捧的“香饽饽”，从去年发布的新品便可见一斑。
节选自《2021年全球XR行业年度发展报告》（图源：陀螺研究院）
在光学方案、产品形态、应用场景百花齐放的当下，越来越多的企业将目标投向了底层核心技术，特别是底层光学，门槛极高，但潜力无限，让不少人使出当初学习数学、物理的干劲，逼着自己去理解背后的技术逻辑。
而光学领域的明星企业——至格科技，清华系出身，获小米、OPPO投资，产品被应用于OPPO Air Glass上。本次VR陀螺有幸对话至格科技创始人孟祥峰博士，为我们解答衍射光波导关键技术以及量产和行业发展的相关问题。
巨头布局，衍射光波导技术现状
回顾2021年光博会，陀螺君观察到所有AR相关展台几乎都有展示了当时最新的衍射光波导产品，包括至格科技、鲲游光电、水晶光电、舜宇光学、珑璟光电等。衍射光波导光学方案成为时下热度最高的光学方案。
不少科技巨头也开始入局AR，Snap、苹果、Meta都在不断加大投入，相比于稳定发展的B端AR市场，处在萌芽期的类眼镜C端AR产品在元宇宙的加持下更为抢眼，如小米发布的单目光波导AR探索版、影目科技发布的消费级INMO Air、雷鸟创新推出的雷鸟智能眼镜先锋版、OPPO推出的OPPO Air Glass等AR设备，在国内均获得了非常高的关注。
AR眼镜核心光学方案历经多年发展，现在市场一致认为光波导成为接下来的发展核心。而光波导又分为阵列光波导（又称几何光波导）、表面浮雕光栅衍射光波导以及体全息光波导。
在阵列之后，衍射光波导似乎已成为主流AR光学方案之一，孟博表示，至格科技现在是国内少有的能进行衍射光波导量产的企业，目前已经形成一套完整的生产体系，包括如何管理相应工艺的生产、保证每道工艺的质量、保证稳定可重复的量产交付。虽然没有具体的数据与海外企业详细比较，但海外对衍射光波导的研发经验和工艺积累确实是比国内要完善的。
他认为：“在国内，大多数衍射光波导厂家的产品因为设计或工艺难度，仍处在打样阶段，尚没有建立生产体系，很难投入大批量生产。”
“放眼全球来看，衍射光波导真正大规模的应用，现在走在前面的是微软的HoloLens和Magic Leap，目前已有大批量产品交付，这些大厂的优势就在于它们无论是自行生产还是代工生产，整体工艺和生产水平等方面都更加完善，以HoloLens 2为例，在B端已稳定供货许久，能够保证稳定、一致、高品质地量产交付，而且他们的良率在不断提升中。”
衍射光波导，是利用光栅的衍射特性来设计“光路”，让光在设计好的路径上传播，将微投影系统发出的光导入人眼。由于其光学结构的特征尺寸从传统几何光学的毫米级别提高到了现代衍射光学的纳米级别，因此对企业的微纳光学设计和生产能力提出了更高的要求。
光栅扫描电镜照片（图源：至格科技）
可以从图中看出衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件，每一个周期可以是材料表面“雕刻”出来的高峰和低谷。而光栅设计就是通过合理优化光栅的各项参数（例如周期、占空比、槽深、侧壁倾角等），使光栅能够实现所需的光学性能。
孟博向陀螺君介绍了衍射光波导的主要生产流程，要实现量产，唯有优化其中的工艺方可降低生产成本：
衍射光波导研制流程主要分为三大环节：光栅设计——光栅母版加工——纳米压印生产。从衍射光波导的设计来看，衍射光波导并非由单一的光栅组成，而是多个光栅区域以及波导层共同组合成的衍射光学系统。
据了解，光栅设计通常是从一个经验性的初始结构开始的（这一步骤比较依赖经验），然后设置好目标函数（即如何评价想要的光学性能），最后根据各种最优化算法将初始结构优化到所需要的目标上去。
而光栅母版加工则是非常核心的一套工艺，对精度（纳米级别）及复杂度要求最高，流程主要分为匀胶、光刻、刻蚀、清洗四个步骤。据孟博介绍：“光栅母版加工要与光栅设计紧密结合，彼此互相逼近，反复迭代，迭代中这四个工艺步骤又需要重复进行，导致其中的成本很高。”
至格科技目前已掌握基于全息光刻和离子束刻蚀的完整的光栅母版加工工艺，并已建成功能完备的光栅母版加工中心，可以实现各种光栅母版的快速加工和迭代。
晶圆玻璃压印流程（图源：至格科技）
关于纳米压印生产，衍射光波导采用半导体生产工艺，主要流程经历：晶圆清洗——旋涂匀胶——纳米压印——光学镀膜——晶圆切割——镜片贴合——镜片封边，对工艺、材料、设备的要求很高，需要完整再现光栅母版的形貌才能保证产品的光学性能，并且还要保证每道工艺的品质。
虽然每一个环节都面临着各种各样的难点，但随着工艺改良和产品迭代，衍射光波导企业逐步形成标准化可控的工艺，色散问题逐步改善，量产能力提升，批量装机和大规模出货在即。
影响衍射光波导量产与良率的核心关键点
衍射光波导方案以其轻便、高透光率、Eyebox范围大等优势逐渐成为消费级AR产品的必备方案。为方便参考理解，VR陀螺整理了一份AR光学方案图表：
图源：VR陀螺
衍射光波导有两大作用，一是发挥光波导的特性，改变光的传播方向，引导光在元件中传播，最终导入人眼；二是实现二维扩瞳，在确保体积小、视场角大的前提下，将Eyebox范围扩大，以适配不同的瞳距，同时获得极强的沉浸感和良好的视觉体验。
改变光的传播方向容易理解，但为何衍射光波导需要扩瞳？
孟博向陀螺君解释：“可以这样理解，从投影光机进入波导的光线是被限制在一个非常小的方框范围内的，所有的光和能量都是通过这个小方框向前传播的，这个小方框的大小就是波导入瞳的大小。如果不扩瞳，那么波导的出瞳大小就等于入瞳大小，而出瞳对应着人眼能看到完整图像的可移动范围，也就是Eyebox范围，所以在不扩瞳的情况下，人眼只能被限制在一个很小的方框范围内来观看，就好像要透过门镜看世界，极大地影响沉浸感和视觉体验。扩瞳就是将出瞳扩大，相应的Eyebox范围也会成比例扩大，就好像推开门来看世界，沉浸感更强，视觉体验更佳。而且每个人的生理特征不同，扩瞳后Eyebox更大的镜片还可以去适配不同人的瞳距。正因为以上两个原因，扩瞳非常重要。”
扩瞳与不扩瞳对比示意图（图源：至格科技）
“二维扩瞳则是在一维扩瞳的基础上，实现横向和纵向的扩瞳，相当于把上面讲的出瞳方框的长和宽都扩大了，那么人眼在横向和纵向上的可移动范围都很大，沉浸感和视觉体验会进一步提升。”
谈及Eyebox范围，孟博指出：目前人们对衍射光波导的理解存在一些误区，衍射光波导能量利用率不高的主要原因就是扩瞳，扩瞳使Eyebox的面积大幅增大，单位面积上的能量自然就低下来了。但是扩瞳是衍射光波导的一大优势，上面分析了它有很多好处，因此我们必须扩瞳，但同时追求高能量利用率和大Eyebox几乎是不可能的。
光的色散（图源：网络）
在光波导方案的显示效果方面，阵列波导有更自然的彩色显示效果，但是二维扩瞳相对衍射光波导更难，在出瞳边缘易出现图像畸变；而衍射光波导目前仍然面临色散（颜色不均）的问题，目前的衍射光波导产品中多多少少都存在色散，只是现在效果已经比之前好很多。
据孟博介绍，“色散就是彩色均匀性问题，无论是阵列还是衍射都会有色散问题，阵列采用镀膜原理，严格来说应该叫色差，在几何光学里面色差可以做得非常小，可以忽略不计，所以颜色看起来比较真实。但是衍射的色散是一个比较大的挑战，其结构的特征尺寸与光波长相当，光在衍射光波导表面发生衍射，而不是普通的透射或反射，所以它对波长非常敏感，不同波长的光在光波导内的传输路径都不一样，要保证不同波长的光以同样比例的能量出射才能恢复成彩色，这是非常难的，但并不是不能突破。”
目前至格科技已推出的两款可量产的AR衍射光波导产品TDDW40Plus、SIDW33。据介绍，至格科技衍射光波导产品的良率超过80％（具体数值根据定制产品有所不同），遂成功应用于消费级AR眼镜OPPO Air Glass（可参考文章：《【实测体验】OPPO Air Glass明年上市，AR向消费级电子产品再迈一步》）。孟博表示，OPPO这款产品的波导能量利用率将近是普通衍射光波导的两倍，进而确保其能长时间续航。
图源：至格科技
专利不是限制 共建共生才能形成良好生态
成立于2019年7月的至格科技，由清华大学精密仪器系光栅与测量实验室孵化而成，依托清华大学20余年的光栅领域科研成果进行产业转化，致力于AR衍射光波导及衍射光栅的研发、生产和销售。拥有10年以上经验的光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产的技术团队，成员包括设计算法开发、衍射光学设计、工艺技术、材料开发、生产制造等多方面的核心技术人才，有着丰富的技术积累和相关工作经验。
消费级AR眼镜OPPO Air Glass（图源：OPPO）
孟博表示，在未来，至格科技将结合自身技术优势继续为客户提供从设计、制版到材料和工艺的一站式解决方案，以及快速、稳定、可靠、低成本的衍射光波导量产交付方案。
而对于专利“卡脖子”问题，孟博表示随着技术发展，各家专利数量不断增加，形成各有特点、各有侧重的专利体系，这些专利体系不会是彼此完全独立的，而会是“你中有我，我中有你”的关系。各家之间很难通过专利完全限制对方发展，更有可能是通过专利交叉许可的方式共同发展。
“不管是从专利还是整个产业链上来看，衍射光波导越来越像一个逐渐成熟的行业，因为参与的‘玩家’越来越多，在技术上不断演进和完善，大家共建共生，把这个行业做起来。”
“产业链的活跃程度决定了行业的发展速度。在衍射光波导行业，上游有做材料和设备的厂商，中游有单独做设计、母版和生产的厂商以及像至格这样整体做IDM模式的厂商，下游有积极布局、你追我赶的AR整机厂商，整个产业链非常活跃，新入局的厂商层出不穷，整个行业的发展在不断加速。”
孟博认为，“要让技术落地不应该闭门造车，只有客户（AR整机厂商）来应用，才能不断去发现这里边的问题。因为客户的需求是建立在市场调研基础上的，非常接近于消费者的需求。只有针对客户需求不断地完善产品，才能在AR行业爆发之时处于有利地位。”
整个AR行业都在健康发展，国内企业也已经做了很多探索和尝试，在未来将与国际其他企业相互促进，也希望能给产业一点时间。
