衍射光波导和阵列光波导（体全息衍射光波导的制程要点和量产可行性）

体全息衍射光波导作为AR光学最具前瞻性的工艺路线之一，广受产业瞩目，在此，我们就体全息光波导的制程、核心技术、优势等来对这个方向展开，看看这个方向是否可以量产，是否值得产业大规模去布局。

概念：

光波导（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。

AR用光波导由光透明介质（如玻璃、树脂等透明的材料）构成的传输光频电磁波的导行结构，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。

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波导显示装置的原理跟光在光纤中传播类似。光从光纤的一端传导到另一端，不会从侧面出来（全反射）。波导镜片使用了同样的原理。

无损全反射需要满足两个条件：

(1) 传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(如图所示n1> n2);

(2) 光进入波导的入射角需要大于临界角θc. n1sinθc= n2

全息光波导: 光波导 体全息光栅(全息在此处指的是工艺概念，与全息显示无关，此光栅工艺跟早年制作全息图类似，故俗称全息光栅。） 光波导可以是透明玻璃，也可以是透明树脂。

通过贴附在光波导表面的体全息光栅，打破了全反射的界面规则，从而改变了光信息传播的方向和能量，进而引导了光信息从波导内部传输到人眼。

全息光波导看似只是一片普通玻璃，实则是一个光学系统。

这片玻璃决定了光源以什么形式，什么光强入射，决定了光学系统的视场角、出瞳距、眼动盒等关键性参数，AR眼镜,ARHUD等皆围绕着这一小片玻璃展开，是整个系统的最核心所在。

全息光波导是基于体全息光栅的基础上开发的。

体全息采用激光全息技术制造得到，两束激光（参考光和物光）同时照亮感光薄膜，发生双光束干涉，感光薄膜以折射率变化分布的形式记录下干涉条纹分布，该条纹与光栅结构对应。

图片来自三极光电

再现过程即为使用的方式，参考光以相同的角度入射到感光薄膜，其发生衍射，直透光和参考光方向一致，为 0 级光，衍射光（﹢1 级）原物光方向一致。因此我们使用参考光在感光薄膜上记录下物光，并由参考光可以再现物光，此时感光薄膜上具有周期性分布条纹，也即为体全息光栅。

全息光栅的制造：

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如上图,激光器Laser出光--分束镜（BS）分光两束--扩束镜L1、L3把点光源扩大成面光源--准直透镜L2、L4把散射光准直成平行光--两束平行光以夹角θ照射到全息感光胶片H上产生干涉条纹，全息感光胶片吸收光量，以折射率变化的形式记录下瞬时光场的干涉条纹（这种机理类似胶卷式相机感光记录照片，这种全息干涉工艺业内也通俗称之为全息照相）。两束光的夹角θ决定了光栅条纹宽度周期。这种工艺在研发、量产上面制作时间成本、物料损耗成本都很低。

自动化制程：

如要实现自动化的制程，主要是从快门曝光控制和全息感光胶片H的自动化移动控制方面入手。程序化的自动全息曝光快门系统和全息感光胶片H处的程控化移动，在国内20多年前就已经应用，业内如三极光电等团队也早已熟练掌握；针对多光栅组成的全息光波导光栅，不管是快门曝光，还是移动、传送全息感光版的程控式系统，对于自动化来说都是比较简单的设计。所以业内认为体全息光栅尤其是体全息波导不能量产是极不准确的，产业不少单位也好像一直刻意忽略了索尼早年量产的体全息光波导眼镜。

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全息光栅可以把感光胶涂布在玻璃、树脂基底上曝光制造，也可以把感光胶涂布在膜片上面制造成全息光栅后复合或转移到玻璃或者树脂上面。

体全息光波导核心制造门槛

1. 全息感光材料：市场主要应用有卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、全息聚合物分散液晶等，全息光栅都是基于材料特性而开发的制程工艺。三极光电有成熟的卤化银和光致聚合物材料工艺和完善的涂布线。

据悉，三极光电将在近期放开全息感光材料对产业的销售。

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2. 全息光波导的系统设计

光瞳扩展技术

三极光电科技的光瞳扩展技术(exit pupil extension)，基于变化衍射效率工艺和转折光栅，可以实现增强现实光学组件在出瞳范围内高均匀性显示，有效提高人眼可调整范围和瞳距。

市面上的现有的光学软件，例如Zemax，CODE V以及一些非序列的设计软件Lighttools，Tracepro等对于几何光学都能很好的胜任，但是其无法很好的对全息衍射波导进行有效的模拟，因为涉及多次光线折转。三极光电科技独立编写了相应的光学追迹程序，适合于波导的特点，用于复杂全息光波导的光线模拟和效率优化，国际上的全息光波导公司也都是如此。

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3. 全息光栅制造平台的光场模型调制及光栅制造

把计算仿真的模型用各种光学透镜在全息制造平台上调制出来也是核心能力之一。

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全息感光材料中各层纳米颗粒对光的波段具有选择性，是基于全息波导使用波段，使用最佳感光波长，制造不同波长下的体光栅，实现感光颗粒高转移效率，完成不同单色的体全息光栅波导制造。

此外，三极光电科技混合编组反射/透射体光栅波导，完成彩色光波导的制造，同时避免了保护玻璃的使用，进一步实现波导组件的轻薄化。

全息光波导的优势：

1.衍射光学，布拉格光栅，光栅结构灵活，能量集中，衍射效率高；光栅组合的自由度高

2.可双轴光瞳扩展，可实现大视角、定制出瞳大小和适眼距

3.透明度极高、结构轻薄

4.漏光小、彩虹效益小

5.可波长复用和角度复用，潜力巨大

6.可大面积制备，用于抬头显示设备

7.全息曝光工艺效率高，成本低、良品率高，小面积光波导量产成本低，具备走向消费电子级的条件

8.技术工艺壁垒高，国际上掌握此稳定生产技术单位屈指可数（三极光电团队材料、全息波导系统设计、全息波导制造都是自主可控）

9.投资成本低：比起表面浮雕波导动不动十亿百亿级，体全息千万级的投入性价比特别高。

综上所述，体全息光波导性能优越、能量产可量产、投资成本低、量产成本低，是性价比最高的AR光学主流方案。

AR增强现实全球光波导技术路线概况及代表企业情况

图片来自三极光电

三极光电是中国AR全息衍射光学领跑者，在全息光刻材料及 AR 芯片级光学基础雄厚，公司在芯片材料、光学设计得到中科院院士团队的支持，经过三十年艰苦研发，率先自主研制了高性能的全息光波导、85度视网膜投影HOE等产品，成像清晰，处于国际领先地位。

AR增强现实全球光波导技术路线概况及代表企业情况

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