Dispelix创始人阐释,蚀刻光波导比纳米压印好在哪

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作为关键AR光学技术之一,光波导模组对于AR眼镜的轻量化、视场角、清晰度等方面有着重要影响。目前,市面上各类光波导公司掌握不同类型的光波导架构设计,而且制造工艺也各有不同。比如Magic Leap、HoloLens就采用纳米压印工艺来制造AR光波导。

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Dispelix联合创始人兼CEO Anti Sunnari

近期在AWE 2022期间,芬兰AR光波导厂商Dispelix联合创始人兼CEO Anti Sunnari在主题演讲中表示市面上的光波导制造工艺通常可分为五大类:

1)纳米压印(微软HoloLens、Magic Leap、WaveOptics、Vuzix);2)直接蚀刻(Dispelix、应用材料);3)切割、涂层和堆叠(Oorym、Lumus);4)非接触式光学复制/激光干涉法(DigiLens、ImagineOptix);5)注塑成型(LetinAR、tooz、Optinvent、爱普生)。

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光波导制造工艺5大分类

其中,Dispelix采用蚀刻的方式去制造AR光波导,那么相比于纳米压印等技术,蚀刻光波导制造工艺又有哪些优势呢?

两种技术路径

Sunnari指出,Dispelix专注于开发表面浮雕光栅光波导,可搭配折射率2.0的光学晶圆。在演讲中,Sunnari展示了两款光波导AR眼镜形态。

一种是基于LBS投影的单目AR眼镜,主要应用场景是显示文字通知等信息,辅助日常生活和工作。这种设计的特点是,一边镜腿集成电池和计算单元,另一边镜腿则集成LBS光学引擎。

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另一种形态为双目AR眼镜,其特点是将光波导与LCoS、DLP、microLED等光源结合,可显示更复杂的AR图像。

据了解,Dispelix将主要为AR眼镜设计提供光波导模组,而通过与其他微显示厂商合作,便可以将其光波导结合不同类型的光学引擎。比如近期,Dispelix就与Avegant(LCoS)、JBD(microLED)、TriLite(LBS)、Mega1(LBS)等公司达成了合作。

除此之外,这次演讲的主题主要包括Dispelix如何利用软件来模拟和优化单层光波导结构,以及与传统光波导制造工艺有哪些不同。

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Sunnari表示:纳米压印和直接蚀刻是制造表面浮雕光栅光波导的两种方式。而表面浮雕光栅光波导制造的关键步骤,是向玻璃材质转移图案。这项工艺主要需要三大元素:玻璃材质的晶圆、在玻璃晶圆上形成纳米结构(前端工艺)、在单片光波导上叠加额外涂层(后端工艺)。

Sunnari认为,前端工艺采用纳米压印技术是光波导厂商常用的工艺,材料供应商很多,但这种工艺过于简单。简单来讲,纳米压印技术就在玻璃晶圆上叠加树脂涂层,然后在涂层上进行纳米压印,再然后使用紫外光固化。

Dispelix

纳米压印与蚀刻工艺对比

相比之下,蚀刻工艺建立在纳米压印基础上,步骤更加复杂,制造成果更好。比如,蚀刻工艺第一步是在晶圆上叠加无机涂层,然后再叠加树脂涂层。Sunnari表示:在转移图案步骤,可使用纳米压印技术,或是远紫外线、Talbot光刻技术。在图案转移完成后,再进一步蚀刻光波导的表面结构,然后分离树脂层。

直接蚀刻工艺优势

Sunnari表示:首先,这种工艺很可靠,制造出的光波导更容易通过温度、紫外线、湿度和防摔等测试,以达到智能手机级的材料安全水平。

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通过温度测试对于光波导来讲很重要,如果未来人们全天候佩戴AR眼镜,那么光波导在长时间运行时应该保证不受散热影响,而产生变形。据Dispelix测试显示,利用蚀刻工艺开发的光波导可在240小时内,持续承受85到零下40摄氏度的温度。这意味着,在冬天低温中也能稳定运行。

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另一方面,选择蚀刻工艺是因为视场角可以更大。Sunnari表示:光波导的最大FOV由光波导架构和折射率来决定,折射率越大,FOV的上限就越大。实际上,纳米压印光波导的最大FOV由树脂涂层的折射率来决定,而蚀刻工艺则由玻璃晶圆的折射率来决定,因此采用更大折射率的玻璃材质(折射率可提升至2.7),便可进一步提升视场角。

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比如,折射率2.0的光波导+RGB光源可实现40°对角线视场角,如果采用单色光源,则可实现70°对角线视场角。而折射率1.8的树脂涂层,通常只能实现30°对角线视场角。

此外,蚀刻工艺也可以像纳米压印那样制造多种结构,包括2D结构、孔柱结构、二元结构等等。

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产量方面,蚀刻工艺兼容现有的半导体制造技术。相比之下,纳米压印的错误率更高,如果在压印过程中出现1微米粒子,则可能出现10微米误差,另外在压印分离过程也可能产生失误。

蚀刻工艺可采用深紫外光等非接触式技术,而且粒子造成的误差更小,技术更加成熟,制造过程中也可以采用纳米压印来转移图案。Sunnari表示:智能手机、平板电脑的半导体芯片就是使用蚀刻类工艺来制造的。

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另外,蚀刻工艺也具有光栅响应速度优势,在显示大视场角图像时,树脂涂层的光栅响应速度会限制图像一致性和光学效率。

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同时,蚀刻工艺的设计自由度更高,这意味着光波导性能可以进一步提升。蚀刻工艺可以在晶圆上叠加多种涂层(多达4层),这为RGB单层光波导设计带来更多自由。参考:AWE

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