橢偏儀在AR衍射光波導行業(yè)中的應用

AR衍射光波導是什么？

目前，市面上較成熟的AR光學顯示方案主要有棱鏡方案、Birdbath方案、自由曲面方案和光波導方案等。各方案都有不同維度上的側(cè)重，但真正滿足AR產(chǎn)品需求的光學方案其實并不多。

較好的AR光學顯示方案還沒有出現(xiàn)，但光波導方案無論是從光學效果、外觀形態(tài)還是量產(chǎn)前景來說，都具備良好的發(fā)展?jié)摿?，可能會?/span>AR眼鏡走向消費級的選擇。光波導方案可分為幾何光波導和衍射光波導兩種，幾何光波導由于制造工藝繁瑣，良率低，難以走進消費電子級市場，因此衍射光波導是目前較為主流的AR眼鏡光學顯示方案。衍射光波導通過光柵的衍射特性來設計“光路"，使光在設計好的路徑上傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導入人眼，要完成上述過程，必須經(jīng)過耦入和耦出的過程，即光機發(fā)出的光線經(jīng)過準直部后，以平行光出射，并以設定角度進入耦入光柵，經(jīng)過耦入光柵衍射后，進入波導片中以全反射的形式向前傳輸，再經(jīng)過耦出光柵輸出，最終在圖像成像部成像，如圖1所示。

圖1 衍射光波導原理圖

AR衍射光波導主要有利用光刻技術(shù)制造的表面浮雕光柵波導（Surface Relief Grating）和基于全息干涉技術(shù)制造的全息體光柵波導（Volumetric Holographic Grating）。得益于傳統(tǒng)光通信行業(yè)中設計和制造的技術(shù)積累，目前表面浮雕光柵占市場上衍射光波導AR眼鏡產(chǎn)品的大多數(shù)。

納米壓印是表面浮雕光柵波導批量生產(chǎn)中的常用方法，該工藝可分為兩個階段光柵子版制作和晶圓玻璃壓印。子版制作首先需要制作光柵母版，然后使用柔性基材進行軟膜壓印、固化、脫膜復制出多個子版；子版制作完成后，即可進行晶圓玻璃壓印。經(jīng)過晶圓清洗、旋涂勻膠、納米壓印、固化、脫模等流程，便可將子版上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到晶圓上面，完成批量生產(chǎn)。

圖2 晶圓玻璃壓印流程（來源：至格AR）

AR衍射光波導測量對象？

AR衍射光波導是利用光柵的衍射特性來設計光路，光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響衍射效率和衍射方向，因此對光柵結(jié)構(gòu)的精確表征能使光根據(jù)設計好的路徑傳播，將微投影系統(tǒng)發(fā)出的光導入人眼，由于AR光柵光學結(jié)構(gòu)的特征尺寸從傳統(tǒng)幾何光學的毫米級別提高到了微納米級別，這就需要使用具有更高精度的測量設備來表征其結(jié)構(gòu)信息。

此外，AR眼鏡作為一個沉浸式設備，需要AR近眼顯示有足夠大的視場角，而視場角由材料的折射率決定，折射率越高視場角越大，因此，測量玻璃晶圓和壓印膠的折射率對于判斷AR眼鏡是否具有足夠沉浸感十分必要。

橢偏儀測試優(yōu)勢

玻璃晶圓尺寸涵蓋4寸-12寸，厚度一般大于0.5mm以上，配置200μm微光斑即可消除玻璃背面反射的影響。由于玻璃晶圓的折射率與膠膜折射率近似，需要用到紫外波段測量，建議波長范圍245-1000nm。頤光科技自主研發(fā)的ME-Mapping全自動高精度穆勒矩陣光譜橢偏儀采用了行業(yè)前沿的創(chuàng)新技術(shù)，包括消色差補償器、雙旋轉(zhuǎn)補償器同步控制、穆勒矩陣數(shù)據(jù)分析等，支持mapping路徑自定義設置，能一次完成膜厚和nk的多點掃描，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的高準確性和高重復性精度，可滿足光柵全形貌一次測量，其測量結(jié)果反應了光斑內(nèi)結(jié)構(gòu)的均勻效果，與AR實際使用場景一致，可精準匹配AR衍射光波導的測試需求。

圖3 ME-Mapping 光柵測量示意圖

橢偏儀測量演示

一、高折玻璃

對高折玻璃進行建模測量，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

高折玻璃的橢偏光譜擬合結(jié)果如圖5所示，玻璃的nk如圖6所示，滿足工藝預期。

二、膠膜

對玻璃基底單層膠膜進行建模測量，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

膠膜的擬合結(jié)果如圖8所示，膠膜擬合的nk曲線如圖9所示。

三、AR光柵

如圖10所示AR光柵結(jié)構(gòu)中，TCD、BCD、Pitch、offset、T1、T2、SWA1、SWA2均為可測參數(shù)。

AR光柵的穆勒元素光譜擬合結(jié)果如圖11所示，計算光譜與測量光譜一致，GOF>0.95。

AR光柵測量的Accuracy和Stability如圖12所示，均在指標內(nèi)。

             圖12 AR光柵測量Accuracy&Stability