光波導是一種光學技術，在光通信、激光領域應用較多。簡單的來說就是光在特定設計的材料器件結構中實現光的定向傳播，應用的是全反射原理，中心用折射率大的材料，四周用折射率小的材料，就可以束縛光在介質中傳播。
光波導在AR技術中，因其輕薄和外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案。
增強現實(AR)與虛擬現實(VR)是近年來廣受關注的科技領域,它們的近眼顯示系統都是將顯示器上的像素, 通過一系列光學成像元件形成遠處的虛像并投射到人眼中。
不同之處在于，AR眼鏡需要透視(see-through)，既要看到真實的外部世界，也要看到虛擬信息，所以成像系統不能擋在視線前方。這就需要多加一個或一組光學組合器(optical combiner)，通過“層疊”的形式，將虛擬信息和真實場景融為一體，互相補充，互相“增強”。
微型顯示屏用來為設備提供顯示內容。它可以是自發光的有源器件，比如發光二極管面板：Micro-OLED和Micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶顯示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，還有基于微機電系統(MEMS)技術的數字微鏡陣列(DMD, 即DLP的核心)和激光束掃描儀(LBS)。
光波導技術是應AR眼鏡需求而生的一個比較有特色的光學組件，因它的輕薄與外界光線的高穿透特性而被認為是消費級AR眼鏡的必選光學方案。因為有了波導這個傳輸渠道，可以將顯示屏和成像系統遠離眼鏡移到額頭頂部或者側面，這極大降低了光學系統對外界視線的阻擋，并且使得重量分布更符合人體工程學，從而改善了設備的佩戴體驗。
光波導總體上可以分為幾何光波導(Geometric Waveguide)和衍射光波導(Diffractive Waveguide)兩種，幾何光波導就是所謂的陣列光波導，其通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和動眼框的擴大，代表光學公司是以色列的Lumus，國內的瓏璟光電、亮亮視野、谷東科技、鴻蟻光電等也有生產。
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)，HoloLens 2、Magic Leap One均屬于前者，全息體光柵光波導則是使用全息體光柵元件代替浮雕光柵，蘋果公司收購的Akonia公司采用的便是全息體光柵，另外致力于這個方向的還有Digilens。這個技術還在發展中，色彩表現比較好，但目前對FOV的限制也比較大。
波導的種類: (a) 幾何式光波導和“半透半反”鏡面陣列的原理示意圖, (b) 衍射式光波導和表面浮雕光柵的原理示意圖, (c) 衍射式光波導和全息體光柵的原理示意圖。
衍射光波導 (Diffractive Waveguide)，AR眼鏡想要具備普通眼鏡的外觀，真正走向消費市場，衍射光波導,具體說表面浮雕光柵方案是目前的不二之選。
浮雕光柵波導使用光刻工藝加工晶圓作為母版，并使用納米壓印工藝進行大規模的復制量產。
衍射光波導的微納制造，浮雕光柵波導制造
表面浮雕光柵從維度上可分為一維和二維光柵，而在結構上可分為直光柵、閃耀光柵和傾斜光柵。由于增強現實光波導用于可見光波段，為了實現較大的衍射效率和視場角，其特征尺寸一般在數百納米，甚至幾十納米，且其性能對誤差容忍度較小，所以對微納加工制備提出了很大的挑戰。目前的衍射光波導制備基本都是基于半導體制備工藝(如光刻、刻蝕工藝)完成。但是，由于這些方法受其復雜、昂貴的設備的限制，生產成本非常高。
斜光柵光波導無法直接采用反應型刻蝕方案準備，所以制備工藝較為復雜，需要采用聚焦離子束(focused ion beam etching,FIBE)、離子束刻蝕(ion beam etching,IBE)、反應離子束刻蝕(reactive ion beam etching,RIBE)技術所制備。綜合考慮到效率和均勻性，RIBE是其中較合適的方案。首先，將基底上通過物理或化學方法鍍一層硬掩模(如Cr)層，之后旋涂一層抗蝕劑層。同樣利用干涉曝光或電子束曝光進行圖案化，之后通過氯干刻蝕工藝將抗蝕劑圖案轉移到Cr層。在刻蝕工藝之后，用氧等離子體法剝離剩余的抗蝕劑層。接下來使用基于氟基的RIBE工藝用電離的氬離子束以傾斜的角度入射基底。在反應離子束刻蝕之后，通過標準的濕法刻蝕工藝去除Cr掩模，獲得具有出色均勻性的斜光柵。
具體工藝流程如圖所示，該工藝可分為兩個階段：納米壓印工作模具制備階段和批量生產階段。首先，通過上述模板制備工藝將圖案加工到硅晶圓上以用作模板，通過納米壓印技術在更大的硅晶片上旋涂UV樹脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外線對印刷的結構進行曝光以固定樹脂。最后通過重復上述過程批量生產多圖案的壓印模具。在批量生產的過程中，使用多圖案的模具來生產表面浮雕光柵波導，然后使用功能性涂層覆蓋波導，并用激光切割技術分離，最后將不同結構的波導堆疊實現光學模組的制備。
浮雕光柵波導方案具有大視場和大眼動范圍的優勢，同時由于納米壓印的便利性，受到了越來越多的關注。但是浮雕光柵波導主要問題有：
1、色彩不均勻和彩虹效應；
2、反射和透射級次特性所導致的波導片正反兩側均有圖像信息耦出
3、納米壓印的良率問題。
2022年11月18日，艾邦將于上海舉辦第二屆AR/VR產業鏈高峰論壇，屆時，納米壓印設備及技術廠商天仁微納和光舵微納將帶來精彩演講，探討以上問題的解決方案。同時瓏璟光電將帶來《AR光波導技術剖析》主題演講，敬請參與，共同探討！
原文始發于微信公眾號（艾邦VR產業資訊）：一文了解微納光學在AR眼鏡中的應用
