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对标WaveOptics的AR镜片,珑璟光电正式发布衍射光波导模组

MicroLED.cn 技术文章 2021-06-23 09:40:42 6910 0 | 文章出自:36氪 MicroLED

Snapchat以5亿美元收购WaveOptics,关于AR眼镜的光学路径再度引起业内讨论与思考。WaveOptics采用的是衍射波导方案,即浮雕光栅波导方案中的二维光栅的浮雕光栅波导方案。

中国的AR行业创业从2014年左右起步,近年来已经形成共识的是波导(Lightguide)方案是目前业内接受的主流,其中阵列波导(偏振薄膜阵列反射镜波导,是几何波导方案中的一种,代表公司是以色列的Lumus)、衍射波导(包括表面浮雕光栅波导、体全息光栅波导方案,前者代表公司是Magic Leap、微软HoloLens、刚刚被收购的WaveOptics,后者代表公司是苹果公司收购的Akonia公司、创业公司Digilens)被认为是有可能解决C端大批量量产产品的光学方案。

两种方案也都有自己的不足,阵列波导繁冗的制造工艺流程导致总体良率较低;衍射波导的衍射色散导致图像有“彩虹”现象和光晕。这也成为过去几年,创业公司一直努力攻克的难题。

36氪获悉,深圳珑璟光电科技有限公司(简称:珑璟光电)发布衍射光波导模组,产品型号名为LCE2104H。这是继今年年初推出视场角40度光栅波导样品,并宣告其光栅波导产品进入产品迭代设计、以及量产化准备阶段之后,推出的的第一款量产产品。

LCE2104H的视场角为28°,出瞳距离20mm,眼动范围达到15*12mm,镜片厚度仅1.4mm,透过率高达85%。产品与其他大体积光学方案相比,轻薄而且可灵活切割处理,在外形上可更贴近眼镜形态,搭配了结构更为紧凑、更为轻量化的光机。

珑璟光电衍射光波导产品研发生产全流程均自主完成,衍射光栅设计依托于自主知识产权,采用自主开发的衍射波导辅助设计软件,自主创新的微光栅结构以及架构设计,与国际一线厂商相比,采用了全新的产品设计路线。产品的生产,如匀胶、压印、固化、切割、组装等工艺流程全部在珑璟光电微纳实验室和深汕生产基地完成,基本实现生产制作过程可控,质量可控,时间周期可控。

珑璟光电,是国内为数不多同时在阵列波导、衍射波导两个路线上做研发、产品的公司。目前其阵列波导镜片今年的出货量已达到去年全年的出货量,明后年预计出货量将达到至少3-5倍的增长。衍射波导镜片预计在2021年Q4可实现每月K级的出货量。

因此,这个时间点,我们也与珑璟的CEO聊了聊着两个技术方案当下的全球研发进度。

一、C端需求--低于100美元的可量产的光学方案

一种业内的观点认为,AR眼镜只有低于1000元人民币才有可能大规模普及。若以此倒推,两片AR眼镜的光学模组售价必然要低于100美元。

苹果AR眼镜在过去一年间一直被预测将在2022或2023年发布,成为当下AR领域最受关注的新闻。若苹果发布AR眼镜,手机厂商势必跟进,光学模组的需求量大幅提升。

苹果此前已收购Akonia公司,在体全息光栅波导方案上深耕数年。苹果享受更高品牌溢价,短期可以接受更高成本的光学模组方案。考虑到其技术投入与定价策略,短期内两片光学模组的成本应该不会超过200美元。

单片100美元目前成为了国内AR光学模组厂商可能要对标的价格。

首先来聚焦下目前主流的解决方案:棱镜、Birdbath、自由曲面、离轴全息透镜和波导(Lightguide)。前三者因为体积大,在C端应用具备一定的局限性,离轴全息透镜所使用的全息片光学特性突出,具有大FOV和小体积的优势,但是受限于眼动范围比较小,目前还无法支持商业应用,但是作为储备技术也会被持续关注。

对标WaveOptics的AR镜片,珑璟光电正式发布衍射光波导模组  第1张

                                                                    主流光学方案

波导(Lightguide)方案是目前业内接受的主流。波导方案又分为阵列波导方案、衍射波导方案和体全息波导方案。

阵列波导最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于优化迭代,至今差不多快二十年了。耦合光进入波导的一般是一个反射面或者棱镜。在多轮全反射后光到达眼镜前方时,会遇到一个“半透半反”镜面阵列,这就是耦合光出波导的结构了,也就是阵列波导里的“光组合器”。

作为主流中的主流目前衍射波导的路线主要有:基于一维光栅的浮雕光栅波导方案,代表产品为HoloLens;基于二维光栅的浮雕光栅波导方案,使用二维光栅结构的多个级次,同时保证光束的耦出和多个方向的扩展,代表公司为WaveOptics。

采用体全息光栅波导方案主要是苹果公司收购的Akonia公司。其主要产品就HoloMirror,只需一层用于显示信息,就能够实现在一个轻薄透明的镜片上显示动态的、全色彩、广视域的图像。但体全息衍射光波导的门槛是综合性的,涉及到材料体系、设计软件、系统设计仿真、体全息光栅制造工艺、体全息光栅后处理工艺。

因此,近年来已经形成共识的是波导(Lightguide)方案是目前业内接受的主流,其中阵列波导、衍射波导被认为是有可能解决C端大批量量产产品的光学方案。

在早期这两种方案都有自己的不足:

阵列波导需要扩瞳技术,为保证整个动眼框范围内的出光量是均匀的,导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几甚至几十层,镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合,即使每一步工艺都可以达到高良率,这几十步结合起来的总良率却是一个挑战。

衍射波导方案中,衍射这个物理过程本身对于角度和波长的选择性导致了色散问题的存在,主要表现为FOV和动眼框内的颜色不均匀即“彩虹效应”。光栅设计优化过程中,对于所覆盖颜色波段和入射角(即FOV)范围很难兼顾,如何用一层光栅作用于RGB三色并且能实现最大的FOV是业内面临的挑战。

为了攻克这些不足,在过去几年,创业公司一直在投入研发以寻找解决方案。

二、衍射波导——解决工艺难题

珑璟光电从2017年便开始在衍射光波导方向布局,19年投入数千万成立微纳光学实验室,实现衍射光栅产品小批量试产。同时,预计今年年内,位于深汕特别合作区的珑璟光电生产基地全新的衍射光波导生产线将建设完成,在现有的小批量量产试产上,衍射光波导的产能将提升至K级每月。

衍射波导的加工工艺中,第一步需要通过半导体的微纳米加工工艺在硅基底上通过电子束曝光和离子刻蚀制成母版,为全面实现衍射波导生产制作全流程全工艺的自主可控,珑璟光电将进一步加大投入,购入母版制作加工的相关设备,引进更多微纳高技术人才。

1 珑璟在衍射光波导的布局:

1) 研发团队和技术能力:

珑璟光电的AR光学注重理论基础、拥有较强的光学设计和逆向光子优化设计能力,具备十余年光学领域科研经验、在衍射光学和光学设计领域均有实践。团队的学术研究成果在包括Nature communication, Optics Letters、Applied optics , Optics Express、Journal of Optics、光学学报、中国激光等国内外知名光学期刊发表。是Optica,Optics Express, Applied Optics等期刊审稿人。

珑璟欧洲研究中心团队拥有10年衍射光学经验。团队在Journal of physical Chemistry C,Optics Letters, Optics and Lasers in Engineering等刊物上发表文章多篇,是Optica,Optics Express等期刊审稿人,参与过欧盟科学研究项目2项。

2)衍射光波导产品研发积累:设有700平的衍射光波导微纳光学实验室、有纳米压印实验线,同时规划有纳米压印量产线、电子束曝光设备和刻蚀设备,电镜检测设备等半导体光刻设备,目的是打通全部环节的衍射光栅波导加工和检测产线;目前有团队专注于衍射光波导产品研发设计。

3)自主开发的衍射光波导设计工具软件:珑璟光电开发有专用的光栅结构全电磁矢量分析软件和衍射光栅波导设计软件,这两款软件目前已经深度应用并成功用于设计衍射波导模组的工业开发。

4)衍射光波导专利布局情况:珑璟光电目前主要布局在两个方面,一是创新的光栅波导微结构,突破现有的常用的光栅波导微结构;二是创新的光栅波导架构设计,因为目前光栅波导使用的架构有两种,以微软为代表的一维光栅方案,和以WaveOptics为代表的二维光栅方案,珑璟光电在探索第三种特有的结构,并部署了相关发明专利。这个就是全矢量计算电磁逆向优化出来的一种拓扑结构,相比一维和二维光栅能够获取更好的视场均匀性和Eyebox均匀性。

对标WaveOptics的AR镜片,珑璟光电正式发布衍射光波导模组  第2张

光栅结构

5)海外研究中心和高校合作

持续跟进海外技术动态,依托珑璟欧洲的研究中心,进一步加大落实欧洲高校的合作,同事加强国内产业化的能力;

争取国外完成原理性问题突破后,在12个月内做出类似效果的产品,并且依托国内产业化能力和客户基础,加大光栅产品的迭代和产业化,取得更多的客户;

针对前沿的技术如体全息和超表面等,持续保持关注和跟进,并已布局相关专利,来判断他们可产业化的时间点,去做产业化相关的准备工作。

6)衍射光波导客户合作情况:衍射光波导模组由于体积可以做到更小,所以客户范围会更广,除了传统的工业、安防等B端应用,我们也和以国内消费电子行业的领导厂商为代表的C端客户持续接触,预计在衍射方向2021年可实现小批量出货,找到有潜力的场景和客户持续共同打磨产品。

2 纳米压印流程介绍:


对标WaveOptics的AR镜片,珑璟光电正式发布衍射光波导模组  第3张

该工艺如图1所示,可分为两个阶段:纳米压印工作模具制备阶段和批量生产阶段。首先,通过上述模板制备工艺将图案加工到硅晶圆上以用作模板,通过纳米压印技术在更大的硅晶片上旋涂UV树脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外线对印刷的结构进行曝光以固定树脂。最后通过重复上述过程批量生产多图案的压印模具。在批量生产的过程中,使用多图案的模具来生产表面浮雕光栅波导,然后使用功能性涂层覆盖波导,并用激光切割技术分离,最后将不同结构的波导堆叠实现光学模组的制备。

3 纳米压印设备:

对标WaveOptics的AR镜片,珑璟光电正式发布衍射光波导模组  第4张

                                                                                纳米压印设备

第一阶段入厂的纳米压印设备包括高精度紫外纳米压印设备,匀胶+热板设备,以及相关清洗设备等。高精度紫外纳米压印设备主要用于大批量压印衍射光学器件,适用于浮雕光栅波导、全息元件等的批量压印生产。可压印高精度结构、高深宽比结构、以及斜光栅结构等,能够全自动根据配方进行纳米压印。购入的设备可选用热固化和紫外固化两种方式,适用于不同的胶水工艺,具有多用性。同时,该设备支持自动复制柔性复合工作模具,工作模具具有精度高,寿命长等特点,可以显著降低大面积纳米压印工艺中模具使用成本。匀胶+热板设备主要用于晶圆结构复制材料的旋涂和基片压印胶的旋涂,适用于300mm直径圆片的旋涂匀胶与烘烤工艺。相关清洗设备用于基片的无损清洗及表面活化。第一阶段得纳米压印设备可以满足珑璟光电初期得浮雕光栅波导得压印工艺探索,以及小批量生产。

4 纳米压印进度:

基于购置的纳米压印相关设备和自己搭建的工艺表面处理设备,经过多轮的工艺摸索,已经独立走通了整个的纳米压印工艺流程(之前部分表面处理工作需要外发到设备商处进行处理,时间上完全没有保障),目前的纳米压印工作分为两块,一是对目前在加工晶圆的测试压印;二是对新胶水,包括模板胶水和压印胶水的测试工作,形成一个稳定的胶水供应链和胶水工艺库。如下两个图是目前纳米压印的SEM图。

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                                                                             纳米压印的SEM图

5 自研发工具软件:

ARDesign为珑璟AR波导片开发工具包,结合ZEMAX Optic Studio软件,能快速自动化建模,评价分析波导镜片成像质量。

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ARDesign 操作区示意图

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三、阵列波导——解决量产难题

几何波导方案中的偏振阵列波导,是目前产能最大的解决方案。

阵列波导的扩瞳技术,设计较为复杂。设计时要充分考虑杂散光,人眼兼容性,各项性能指标。除此之外,均匀性也是最终用户体验的直观指标,如何控制多个膜层的反射和透过率,如何整机优化,如何控制镀膜工艺,才能保证整个眼动范围内的均匀性,也是研究的重点。这项技术工艺复杂、生产流程长、加工成本高、良品率提高有上限。

珑璟光电的第二代40°阵列波导产品从2018年3月开始量产,2020年8月,建成新的生产基地。面积16400平方米,其中厂房面积近8000平方米。针对阵列波导产品的质量检验标准、质量环境一体化管理体系、品质管控体系、供应链管理程序均已完备。目前已投产FOV25°-40°、不同分辨率及不同微显示模组的产品方案近二十种。

截止到5月,珑璟光学阵列波导镜片今年的出货量已达到去年全年的出货量,明后年预计出货量将达到至少3-5倍的增长。

四、AR行业的出货,需要C端AR产品拉动

自Google Glass面世以来,AR眼镜备受关注,但在全球范围总共投产过几十款。2019年是一个重要的年份,微软升级了HoloLens2、MagicLeapOne也终于问世,但是价格高昂,均处于2000-4000美元的价格区间,三年来应用数量停留在二三百种,且没有重量级应用。

国内厂商的产品比较庞杂,包括不少棱镜、自由曲面、 Birdbath方案。应用方向多为面向B端客户,包括物流、警用、医疗、教育、汽车、文旅、安防、工业等应用场景。

近一年来酷派,Rokid等也在推出C端产品,但是出货量还很有限,据不完全统计总共只有每年几千套的规模。

目前,珑璟光学的产能已经使开拓C端市场成为可能。今年下半年,其阵列波导镜片月产量可达5K左右,衍射波导镜片也可稳定出货。而明年开始的增量会相当可观,阵列波导镜片产能会有3-5倍的提升。

总体来看,为了打开C端市场,AR眼镜需要解决5大问题:1)质量优异;2)长续航;3)移动带宽;4)应用生态;5)价格。虽然市场一直聚焦在AR眼镜的形态和推出时间,但是这些问题的解决仍需要时间。

未来有望打开C端市场的头部科技公司分别是苹果、Facebook和微软等头部公司。当下,从公开信息推测,微软、Facebook、苹果三家公司在AR领域分别有着不同的规划:

(1)苹果

苹果在2017年6月的WWDC开发者大会上发布了软件解决方案ARKit,点燃了全球市场的热情,瞬间就可支持上亿台iOS设备通过ARKit支持AR,苹果也因此一跃成为了“世界上最大的AR平台”。

苹果的硬件方案则一向比较神秘,虽然收购的Akonia公司已经4年时间,但是依然没有产品推出。外界有猜测认为苹果将直接推出消费级C端产品。

(2)Facebook

Facebook此前已经公布在开发AR眼镜的计划,即去年四季度其与雷朋(Ray-Ban)达成合作,称未来会合作推出首款AR眼镜,不过可能要推迟到2023年才会推出。目前其主要的AR业务包括移动AR平台Spark AR。而移动端AR目前分为三大类:1)社交软件(AR滤镜);2)软件系统(ARKit、ARCore);3)Web AR。3月,Facebook公布了一套内置传感器的智能手环设想,用以配合AR眼镜使用。

(3)微软

微软是目前在B端最成功的公司,美国陆军曾多次与微软签订协议,购入超过20万台HoloLens 2,微软也曾明确表示HoloLens 2不会进入C端市场。

此外,亚马逊也投资过一家名叫North的初创公司。这家公司在2018年10月发布了一款名为“North Focals”的智能眼镜。不同于笨重的头显,这款智能眼镜相当轻巧,和Echo Frames的功能类似,能进行一些简单的语音操控、消息收发。

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