从50°视场角说起：一文读懂AR光波导的“雕刻”艺术

当一块比纸还薄的镜片，能够在毫厘之间精准操控光的路径，将虚拟世界无缝叠加于现实——这便是AR光波导正在书写的视觉革命。

年初歌尔光学的一则发布引发行业震动：全球首款50°视场角碳化硅刻蚀全彩光波导显示模组F50Se正式亮相。这一数字的背后，是AR光学领域的一次重要跨越——传统玻璃基底的光波导，视场角长期被困在30°以内。

是什么让50°成为可能？答案藏在两个关键要素中：碳化硅材料基底与干法刻蚀工艺。前者以高达2.65的折射率突破了物理极限，后者则是在这种“硬度仅次于金刚石”的材料上精准雕刻光栅的唯一路径。

而在另一条技术路线上，纳米压印作为玻璃基底光波导的量产核心工艺，支撑着当下绝大多数消费级AR眼镜的规模化生产。两种工艺，分别服务于不同的材料体系和产品定位，共同构成了AR光波导的工艺版图。

艾邦建立了AR眼镜光学与显示交流群，欢迎行业上下游企业入群共同交流探讨。

1. AR光波导：将图像“藏”进镜片里的魔法

在深入工艺之前，不妨先理解AR光波导的工作原理。

AR光波导是一种嵌入AR眼镜镜片内部的透明导光结构。它的作用，是将微型投影光机生成的图像，通过镜片内的光学结构引导至人眼，同时保持镜片透明，让用户既能看清现实世界，又能看到叠加的虚拟信息。

一套完整的光波导系统由四部分组成：

· 光机：生成图像的光源，相当于投影仪的“灯泡”。

· 耦入光栅：位于镜片表面的微纳结构，负责将光机发出的光线“捕捉”进镜片内部。

· 波导基底：透明的平板镜片，光线在其内部通过全反射的方式向前传播。

· 耦出光栅：同样位于镜片表面的微纳结构，负责将传播到人眼前方的光线从镜片中“取出”，投射向人眼。

正是通过在镜片表面加工出纳米级的光栅结构，光波导实现了对光的精准操控。而决定光波导性能的核心指标——视场角（FOV）、光效、均匀性和色彩表现——都与这些纳米结构的加工工艺息息相关。

目前制造工艺主要有两条技术路线。一条是面向玻璃基底的纳米压印工艺，它是支撑当下绝大多数消费级AR眼镜规模化落地的核心；另一条则是面向碳化硅基底的干法刻蚀工艺，它正在推动AR光学向更高性能突破。

2. 纳米压印：消费级量产的“复印机”

什么是纳米压印？

纳米压印，顾名思义，是一种像盖章一样批量复制纳米结构的工艺。它并非通过光的衍射或干涉来形成图案，而是通过物理接触的方式，将模具上的微纳结构转移到基材表面。

对于AR衍射光波导而言，纳米压印是实现规模化量产的核心工艺。它使得原本只能在实验室里精密制备的纳米光栅，能够走上工业化流水线。

工艺流程全解析

第一步：母版制作

采用半导体工艺中的光刻和刻蚀技术，在硬质基底上加工出高精度的光栅母版。

第二步：子版制作（软膜制作）

通过压印将母版的结构一比一转印到柔性基材上，复制出多个可重复使用的子版（软膜）。

第三步：晶圆玻璃压印

· 晶圆清洗：去除玻璃晶圆表面的污染物

· 旋涂匀胶：将纳米压印胶均匀涂布在晶圆表面

· 纳米压印：将子版上的光栅结构压印到胶层中

· 固化：通过UV紫外线照射使胶层固化定型

· 脱模：光栅结构完整保留在晶圆表面

第四步：后续处理

光学镀膜、晶圆切割、镜片贴合等。

纳米压印的优势与挑战

优势：

· 分辨率高：最小可达5纳米以下

· 成本可控：子版可重复使用，适合大规模生产

· 良率高：批量生产的一致性可控

挑战：

· 光栅母版稀缺且昂贵

· 稳定设备依赖进口

· 子版存在使用寿命问题（多次脱模后结构变形）

· 对生产环境洁净度要求极高（纳米级灰尘即可导致缺陷）

目前，纳米压印是表面浮雕光栅波导的主流量产工艺。但随着AR眼镜对光学性能的要求不断提升，它的局限性也逐渐显现——尤其在面对碳化硅这类超硬材料时。

3. 干法刻蚀：征服碳化硅的“精准雕刻刀”

为什么碳化硅需要干法刻蚀？

碳化硅（SiC）的折射率高达2.65，远超传统玻璃（约2.0）。这意味着在理论上，采用碳化硅基底的单片光波导就能实现50°甚至更大的视场角，而无需像玻璃那样堆叠多层。

然而，碳化硅的硬度仅次于金刚石，化学稳定性极高。传统纳米压印工艺无法在其表面直接塑形——因为纳米压印是在胶层上“压”出结构，而非直接在基底材料上加工。

这就引出了干法刻蚀的必要性：只有通过物理轰击或化学反应，直接在碳化硅基底上去除材料、创建结构，才能将这种高性能材料转化为真正的光学器件。

干法刻蚀工艺流程

干法刻蚀是通过物理轰击或化学反应，直接在基底材料上去除物质、创建微纳结构的技术。歌尔光学在F50Se模组上采用的正是这一工艺。

根据行业资料，刻蚀光栅的工艺流程如下：

直光栅刻蚀流程：

· 在基底上旋涂抗蚀剂层

· 通过干涉曝光或电子束曝光实现光栅图案化

· 利用反应离子刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体（ICP）刻蚀将图案转移到基底

· 去除抗蚀剂层，完成直光栅制备

斜光栅刻蚀流程（更复杂）：

· 在基底镀硬掩模层（如铬）后旋涂抗蚀剂

· 图案化曝光

· 将抗蚀剂图案转移到硬掩模层

· 剥离剩余抗蚀剂

· 反应离子束刻蚀：用电离的氩离子束以倾斜角度入射基底

· 去除硬掩模，获得具有出色均匀性的斜光栅

干法刻蚀的核心优势

· 精度更高：刻蚀工艺直接在基底上加工，避免了纳米压印中胶层变形带来的误差。

· 稳定性更强：据Dispelix数据，利用刻蚀工艺制造的光波导可在240小时内持续承受-40℃到85℃的温度循环测试。

· 设计自由度更大：刻蚀工艺可以在晶圆上叠加多达4层涂层，为单层全彩光波导设计带来更多可能。

· 光学性能更优：歌尔光学通过离子束刻蚀工艺及特殊光栅设计，将可见光波段反射率控制在8%以下，光波导整体反射率降至5%以下，从根本上解决了残影和彩虹纹问题。

干法刻蚀的挑战

· 工艺复杂：相比纳米压印，刻蚀的工序更多，控制难度更大；

· 设备昂贵：高精度刻蚀设备依赖进口；

· 成本较高：单片加工成本高于纳米压印，但随着8英寸、12英寸碳化硅晶圆的普及，成本正在快速下降。

4. 两大工艺的对比与定位

从产业趋势来看，纳米压印是当前主流，因其易量产、低成本、一致性高的优势，支撑了衍射光波导的规模化落地。而刻蚀工艺是未来发展方向，虽然制备工艺复杂，但可大幅提升光波导的光学性能，尤其适用于碳化硅等新材料。

5. 未来展望：工艺的下一站

站在2026年这个时间节点，AR光波导的工艺演进呈现出清晰的方向：

· 材料层面，碳化硅正在成为高端AR眼镜的“标配材料”。继Meta Orion采用碳化硅波导实现70°视场角后，歌尔光学、慕德微纳、天科合达等企业纷纷布局。碳化硅凭借高折射率、高热导率的双重优势，正成为破解AR眼镜显示瓶颈的关键材料。

· 工艺层面，刻蚀工艺的渗透率将持续提升。随着AR眼镜对显示性能的要求不断提高，传统纳米压印在色散控制、光效提升方面的局限性日益凸显。刻蚀工艺凭借更高的设计自由度和稳定性，将成为下一代高端AR光波导的主流选择。

· 技术路线层面，超表面波导正在酝酿新的突破。南方科技大学孙小卫教授指出，超表面波导能够在亚波长尺度对光的振幅、相位、偏振进行逐点调控，有望彻底消除色散、突破视场角极限，实现100°-120°的单片全彩显示。如果这一技术走向成熟，AR眼镜的光学方案或将再次被改写。

6. 结语

从纳米压印的“批量复印”，到干法刻蚀的“精准雕刻”，AR光波导的工艺演进，本质上是一场人类在微观尺度上操控光的能力竞赛。

50°视场角不是终点，而是一个新的起点。它证明了当材料创新与工艺突破相遇时，AR眼镜的“不可能三角”——全彩显示、大视场角、轻薄单片，正在被逐一打破。

未来，随着碳化硅晶圆成本的下降、刻蚀工艺良率的提升、超表面技术的成熟，AR眼镜将真正走进寻常百姓的日常生活。而这一切，都始于镜片表面那些比头发丝还细千百倍的纳米级“雕刻”。

本文整理自网络AR光波导领域产业动态及技术资料

来源：CIOE中国光博会、艾邦智造整理

艾邦建有AR/VR产业链微信群，目前有HTC、PICO、OPPO、亮亮视野、光粒科技、影创、创维、佳视、歌尔、立讯精密、多哚（纳立多）、欣旺达、耐德佳，联创电子、至格科技、灵犀微光、舜宇光学、广景视睿、珑璟光电、京东方、海信视像、科煦智能、阿科玛、金发科技、思立可、新安天玉、四方超轻、大族激光、发那科、承熹机电等加入，也欢迎大家长按下方图片识别二维码加入微信群：