椭偏仪在AR衍射光波导行业中的应用

椭偏仪在AR衍射光波导行业中的应用

AR衍射光波导是什么？

目前，市面上较成熟的AR光学显示方案主要有棱镜方案、Birdbath方案、自由曲面方案和光波导方案等。各方案都有不同维度上的侧重，但真正满足AR产品需求的光学方案其实并不多。

较好的AR光学显示方案还没有出现，但光波导方案无论是从光学效果、外观形态还是量产前景来说，都具备良好的发展潜力，可能会是AR眼镜走向消费级的选择。光波导方案可分为几何光波导和衍射光波导两种，几何光波导由于制造工艺繁琐，良率低，难以走进消费电子级市场，因此衍射光波导是目前较为主流的AR眼镜光学显示方案。衍射光波导通过光栅的衍射特性来设计“光路"，使光在设计好的路径上传播，将微投影系统发出的光导入人眼，要完成上述过程，必须经过耦入和耦出的过程，即光机发出的光线经过准直部后，以平行光出射，并以设定角度进入耦入光栅，经过耦入光栅衍射后，进入波导片中以全反射的形式向前传输，再经过耦出光栅输出，最终在图像成像部成像，如图1所示。

图1 衍射光波导原理图

AR衍射光波导主要有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导（Surface Relief Grating）和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导（Volumetric Holographic Grating）。得益于传统光通信行业中设计和制造的技术积累，目前表面浮雕光栅占市场上衍射光波导AR眼镜产品的大多数。

纳米压印是表面浮雕光栅波导批量生产中的常用方法，该工艺可分为两个阶段光栅子版制作和晶圆玻璃压印。子版制作首先需要制作光栅母版，然后使用柔性基材进行软膜压印、固化、脱膜复制出多个子版；子版制作完成后，即可进行晶圆玻璃压印。经过晶圆清洗、旋涂匀胶、纳米压印、固化、脱模等流程，便可将子版上的结构转印到晶圆上面，完成批量生产。

图2 晶圆玻璃压印流程（来源：至格AR）

AR衍射光波导测量对象？

AR衍射光波导是利用光栅的衍射特性来设计光路，光栅的结构参数直接影响衍射效率和衍射方向，因此对光栅结构的精确表征能使光根据设计好的路径传播，将微投影系统发出的光导入人眼，由于AR光栅光学结构的特征尺寸从传统几何光学的毫米级别提高到了微纳米级别，这就需要使用具有更高精度的测量设备来表征其结构信息。

此外，AR眼镜作为一个沉浸式设备，需要AR近眼显示有足够大的视场角，而视场角由材料的折射率决定，折射率越高视场角越大，因此，测量玻璃晶圆和压印胶的折射率对于判断AR眼镜是否具有足够沉浸感十分必要。

椭偏仪测试优势

玻璃晶圆尺寸涵盖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响。由于玻璃晶圆的折射率与胶膜折射率近似，需要用到紫外波段测量，建议波长范围245-1000nm。颐光科技自主研发的ME-Mapping全自动高精度穆勒矩阵光谱椭偏仪采用了行业前沿的创新技术，包括消色差补偿器、双旋转补偿器同步控制、穆勒矩阵数据分析等，支持mapping路径自定义设置，能一次完成膜厚和nk的多点扫描，实现了测量数据的高准确性和高重复性精度，可满足光栅全形貌一次测量，其测量结果反应了光斑内结构的均匀效果，与AR实际使用场景一致，可精准匹配AR衍射光波导的测试需求。

图3 ME-Mapping 光栅测量示意图

椭偏仪测量演示

一、高折玻璃

对高折玻璃进行建模测量，其结构示意图见图4。

高折玻璃的椭偏光谱拟合结果如图5所示，玻璃的nk如图6所示，满足工艺预期。

二、胶膜

对玻璃基底单层胶膜进行建模测量，其结构示意图见图7。

胶膜的拟合结果如图8所示，胶膜拟合的nk曲线如图9所示。

三、AR光栅

如图10所示AR光栅结构中，TCD、BCD、Pitch、offset、T1、T2、SWA1、SWA2均为可测参数。

AR光栅的穆勒元素光谱拟合结果如图11所示，计算光谱与测量光谱一致，GOF>0.95。

AR光栅测量的Accuracy和Stability如图12所示，均在指标内。

             图12 AR光栅测量Accuracy&Stability