几何光波导工作原理及生产工艺有哪些？

几何波导利用成熟的光学冷加工工艺，显示效果优，或成短期主流方案。

几何光波导的耦入结构一般是反射面或棱镜。光线耦入波导后，在波导内经历多轮全反射，当光到 达眼镜前方时，会遇到“半透半反”镜片阵列，此即几何光波导的耦出结构。 几何光波导工作原理：“半透半反”的镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度 的表面，每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进。 然后这部分前进的光又遇到下一个“半透半反”镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵 列里最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。 在传统光学成像系统中，图像通常只有一个出口，即“出瞳”。这里的“半透半反”镜面阵列相当于将出 瞳沿水平方向复制了多份，每一个出瞳都输出相同的图像，这样眼镜在横向移动时也能看到图像， 这是一维扩瞳技术。

为何要设计多次出瞳？为了适配不同瞳距的使用需求。 具体来说，假设进入波导的（即入瞳）是直径 4 毫米的光束（在经过光机放大后），由于波导只负 责传输而不把图像放大缩小，那么出瞳的也将是 4 毫米的光束，这样眼镜端要看到这个图像，只能 在这 4 毫米的范围内移动。而不同用户的瞳距差别可能非常大，导致 AR 眼镜的适用性较低。不同 性别和年龄的人，双眼瞳孔间距可能从 51 毫米到 77 毫米不等，如果 NRE 系统的光学中心依据瞳距 的平均值（63.5 毫米）位置来设计，这就意味着有很大一部分人戴上这个眼镜，看不到清晰的图像， 或者完全接收不到图像。这将造成需单个规格的 AR 眼镜的适用性有限，需配备较多不同瞳距规格 的产品才能满足用户要求。 而有了如上所述的扩瞳技术，动眼框范围能从最初的 4 毫米左右扩大到 10 毫米以上。这可以解决产 品设计中的很多问题，例如机械设计容差、产品规格数目（如男女版差异）、用户交互体验等，将 AR 眼镜将消费级产品化大大推进了一步。

几何光波导生产工艺并不复杂，难在保障大批量量产的良率。 几何光波导运用传统几何光学设计理念、仿真软件和制造流程，没有牵扯到任何微纳米级结构，因 此图像质量可以达到很高的水准。但是，几何光波导制作流程繁琐，以下是几个重要步骤： 1) “半透半反”镜面阵列的镀膜工艺。由于光在传播过程中会越来越少，那么阵列中的每个镜片都 需要不同的反射透射比（R/T），以保证整个动眼框范围的出光量是均匀的。 2) 镀膜层数多。由于几何波导传播的光通常是偏振的（如来源于 LCoS 微型显示屏的光，受 LCoS 工作原理限制），导致每个镜面的镀膜层数可能达到十几层甚至几十层。 3) 胶合/键合工艺。这些镜面是镀膜完成后摞在一起，并用特殊胶水粘合，然后按照一个角度切割 出波导的形状，这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量。

具体而言，根据灵犀微光介绍，几何阵列波导加工的工艺流程包括：窗口片加工、镀膜、光学贴合、 切割、研磨、抛光、模组装调，这些都是成熟的玻璃冷加工工艺，工艺本身并不复杂。 几何光波导的生产难点，在于如何保障大规模量产的一致性与高良率。因为每个镜面镀膜层数可能 高达十几层、几十层，镀膜后层层摞在一起，并用特殊胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的 形状。镜面平行度、切割角度都要设计好且要很精准，每一步工艺的失败都可能导致成像出现瑕疵。 常见瑕疵有背景黑色条纹、出光亮度不均匀、鬼影等。

几何光波导的最新进度？二维扩瞳、分子键合。 设计方面：近几年二维几何光波导出现，可实现二维扩瞳，缩小光机体积、扩大 FOV，让几何光波 导技术的竞争力大幅增强。生产工艺方面，分子键合工艺成为新制造工艺，有望解决传统胶合工艺 的低良率、胶材寿命不足的问题。 从产品形态看，二维几何光波导模组相较一维几何光波导模组，其搭配的光机体积可 以大幅减小，带来 AR 眼镜整机的重量下降、镜腿设计的自由度增加等优势。

从产品参数规格看，二维几何波导可以在保持厚度、亮度损失不大的情况下，大幅提 升 FOV、动眼框面积、PPI 等重要参数，让 AR 眼镜能够满足高显示要求的使用场景。

从生产工艺看，分子键合有望替代胶合工艺成为重要的生产工艺。传统几何光波导的制造采用胶合 工艺，但是胶合工艺有如下问题： 1) 良率低。因为玻璃和胶水是两种材质，胶合时容易出现不平整，镜片形状容易导致楔形，楔形 会导致光波导的色散问题，让几何光波导成为不良品；同时胶合的过程容易产生气泡，有气泡 也会影响设计的光线传播效果，造成不良品； 2) 胶材折射率低导致 FOV 提升难。因为玻璃的折射率和胶水的折射率不一样，要做更大的 FOV， 玻璃基材和胶水的折射率都要更大，但是胶水的折射率要提升难度较大。 3) 寿命问题。在高低温冲击下，胶合工艺加工的波导片容易脱胶、发黄，影响几何光波导的使用 寿命。 根据理湃光晶介绍，其自主开发的、应用于高性能光学玻璃的分子键合工艺，可突破传统胶合工艺 的缺陷实现大规模产业化生产，可大幅提升产品的技术性能、量产性、一致性和良率；且因为键合 实质是基片与基片之间产生分子键合，故相对胶合工艺而言，寿命方面也具有优势。 总结来看，随着二维几何阵列光波导的技术突破、分子键合工艺逐步应用，几何光波导有望在显示 质量、落地可行性、成本等方面具备优势，有望成为中短期主流的技术路线。