如何突破智能眼鏡成本瓶頸？這家荷蘭企業公開技術秘籍：兼顧高產能與高精度
智東西作者 ZeR0編輯 漠影
智東西4月4日報道，在裸眼3D、智能眼鏡等領域，新型顯示功能需要精細的微米或納米級表面結構來實現對光線的調控。近日，荷蘭大面積納米壓印技術提供商Morphotonics分享了其大面積納米壓印技術通過高產能、高良品率和低成本的加工工藝，在加工精密微納結構方面的獨特優勢。
Morphotonics成立於2014年，旨在通過獨特的大面積納米壓印技術，爲3D顯示、AR/VR智能眼鏡等行業帶來更加高效、低成本的光波導生產方案。其團隊認爲，除了晶圓級別納米壓印外，大面積卷對板納米壓印工藝將是光波導降本增效的有利解決方案。
在壓印精度方面，Morphotonics的大面積納米壓印技術能實現從50nm（甚至30nm）至數百微米的微納結構加工，並擁有＜2分鐘的快速量產化壓印週期。其獨特的壓印模板可重複使用高達500~1000次，有效控制成本。
Morphotonics全球業務發展主管Erhan Ercan談道，Morphotonics的獨特優勢或核心競爭優勢在於“以可承受的成本實現大面積的高精度製造”，能夠在高精度、低成本和大規模量產方面實現突破。相比傳統晶圓壓印，Morphotonics能夠將晶圓壓印的高質量標準無縫擴展到更大尺寸的基板（如1平方米以上）上，而不會因尺寸的放大而犧牲質量，並以更低的成本顯著提升單次壓印的產能。
據悉，Morphotonics擁有約40名員工並在近期成功獲得B輪融資，團隊規模正穩步擴大，專注於光學和顯示領域的微納結構加工，主要產品是大面積納米壓印加工設備，還提供輔助業務。其總部位於荷蘭埃因霍溫，毗鄰飛利浦、ASML等科技巨頭，擁有高端機器製造的良好生態系統，以及美洲、歐洲、亞洲、澳洲的廣泛客戶分佈。
一、落地裸眼3D和智能眼鏡，破解光波導成本高困局
據Morphotonics商務發展經理李政分享，Morphotonics聚焦於新型顯示光學元件的加工應用方向，其中裸眼3D和AR智能眼鏡是重點關注的應用領域。
裸眼3D也被稱爲空間顯示技術，革新了傳統需佩戴偏光鏡片或頭戴式顯示器觀看3D內容的體驗（舒適度和成像質量欠佳、長時間使用易導致疲勞與眩暈等）。隨着技術日益成熟，用戶無需佩戴特定的光學鏡片或者頭顯，就能直接從屏幕感受到3D效果。
如今，採用諸如柱狀透鏡、微透鏡、背光區衍射光柵等微納結構，能夠實現全面的裸眼3D顯示方案。這些微納結構均可利用Morphotonics的大面積納米壓印設備進行高質量、高產能、低成本的加工。
在AR/VR領域，Morphotonics的大面積納米壓印技術特別應用於智能眼鏡的核心部件光波導。
李政談道，智能眼鏡產業鏈有一個顯著弊端：單個光學眼鏡的生產成本高昂，尤其是光波導組件的價格居高不下。有報告指出，光波導的BOM成本可能佔到整個智能眼鏡成本的40%，這極大地限制了智能眼鏡的普及和商業化進程。
高成本的主要根源在於產能受限和生產工藝複雜。高昂的初期生產線建設投資和機器折舊成本，會推高每個產品的單價。對此Morphotonics具有優勢，通過優化加工端，能夠有效控制成本，爲市場提供更優質、更具性價比的光波導量產解決方案。
Morphotonics全球業務發展主管Erhan Ercan認爲，若要讓智能眼鏡市場真正起飛，其價格需控制到約500美元，類似於普通智能手錶或耳機的價格區間；如果考慮成本在250美元左右，那麼成本結構大致可以分爲三部分：電子元件、光學部分各佔1/3，其餘部分（如電池、鏡框等）佔1/3。在這種情況下，光學部分的成本約爲80至100美元。
Morphotonics擁有高度靈活的系統技術，能夠適配多種基底材料，包括玻璃、高折射率材料、低折射率材料、塑料聚合物基板，甚至碳化硅（SiC）。光學成本高的主要原因之一是基底材料，Morphotonics對基底材料的選擇並不受限，通過提高生產效率和產能來降低成本。
李政解釋說，不同AR眼鏡廠家在選擇基板時會有不同傾向性，Morphotonics能夠根據不同基板材質和形狀，調整工藝過程，實現工藝匹配。從眼鏡輕量化設計的角度出發，最近比較流行的是材質輕盈的高折射率有機樹脂基板，可能降低成本，更易於市場推廣和銷售。
二、單次壓印數百個光波導，產能多達晶圓壓印的20倍
Morphotonics致力於通過技術創新和工藝優化，提高衍射光波導的產能和降低成本，爲高質量、高精度的製造提供可靠保障，從而推動AR/VR智能眼鏡市場的進一步發展。
光波導有多種類型，如反射光波導（也被稱爲幾何光波導）和衍射光波導，這包括表面浮雕光柵光波導（SRG）和體全息光波導（VHG），各有優缺點。行業主流已形成共識，即衍射光波導在性價比和加工難度上被視爲當前最優化的解決方案。
目前主流的光波導生產端普遍採用晶圓納米壓印技術，這種技術能夠在如4英寸、6英寸、8英寸甚至12英寸的晶圓上進行高精度壓印。據Erhan Ercan分享，傳統晶圓技術的侷限性是，最大的12英寸晶圓直徑也僅爲300毫米，無法滿足14英寸筆記本電腦或27英寸顯示器等大尺寸產品的製造需求。而Morphotonics的技術能突破這一限制，爲大尺寸顯示設備提供獨特的解決方案，填補市場空白。
李政總結說，晶圓壓印的優點是高精度，但受限於基板尺寸小、產能不足，單次壓印的面積有限，導致單次能生產的光波導數量受限，因而成本高昂；卷對卷的納米生產工藝產能極高，卻在精度控制上有所欠缺。
Morphotonics致力於融合這兩者的優點，既具備高產能，同時兼顧高精度。其大面積納米壓印能夠爲行業帶來新變化，不僅能夠實現單次壓印數百個光波導，而且壓印時間只比常規的晶圓壓印時長稍長，同時產能達到晶圓壓印的10倍甚至20倍，從而極大提高產能、降低生產成本。
例如，去年，Morphotonics完成了一個重要的技術驗證，實現了從單個模板上單次壓印出480個光波導，在追求提升數量的同時，也嚴格把控了質量。
從測量結果來看，其壓印技術展現出了極高的精度和穩定性，可確保生產出的光波導質量可靠。比如第1次壓印與第100次壓印的結構是否有形變——從數據上看，輸出耦合器週期平均值在415nm左右，浮動範圍被嚴格控制在0.1nm以內。
Erhan Ercan補充道，納米壓印的過程涉及諸多挑戰，主要包括工程性和材料性兩方面。
在工程性挑戰方面，需要解決設備的精準對準與校正問題，確保壓力分佈的均勻性，同時在壓印、固化和脫模過程中避免形變或破損。這些技術難題需要通過精密的工程設計和工藝優化來逐一攻克。
在材料性挑戰方面，Morphotonics依託自身獨特的材料研發能力，研發了與之匹配的壓印材料。這些材料經過精心設計，能夠在壓印和固化過程中保持結構穩定性，有效防止形變或結構破壞，從而確保最終產品的精度和完整性。
Morphotonics還擁有獨立的軟件研發部門，來保證設備的自動化水平，最大限度地減少人爲干預對生產流程的影響。通過高度自動化的系統，能夠實現對質量的精準管控、良率的穩定提升以及產能的高效管理。
李政說，Morphotonics可針對特定應用場景進行調控，因而能滿足汽車屏幕、AR眼鏡等細分應用場景的不同需求，比如隨時更換所需的壓印軟板，以適應不同結構，還能調整具體的工藝參數，包括壓印壓力、紫外固化光強度、所用材料，以及壓印板與機體間的精確控制、前進速度等。
他提到Morphotonics正積極與廠家合作，開展有機樹脂晶圓或基板壓印工藝的研發項目，將持續根據行業動向開發相應工藝技術，以確保與客戶端需求的精準匹配。
三、擁有獨特R2P納米壓印技術，與生態夥伴合力構建AR聯盟
Morphotonics的主要產品是大面積納米壓印加工設備，還提供輔助業務，包括壓印所需的消耗品，如樹脂和壓印軟板，以滿足客戶的全方位需求。
其產品主要分爲兩個系列，包括Portis系列和Aurora系列，主要區別在於自動化程度，兩個系列產品都在與客戶進行交付。
（1）Portis系列：半自動化生產解決方案，允許模組間進行排列組合，模組內部可通過程序控制，而模組間的基板傳遞則需手動操作，因此更適用於研發或初期小批量生產。
（2）Aurora系列：全自動化的解決方案，採用機器手臂實現模組間的連接，全程自動化控制，從而實現了更高效、更高良率的生產功能。
Morphotonics設有自主獨立的潔淨室，技術持有專利保護，同時有足夠的銷售數量來支撐和證明其大面積納米壓印技術的成熟能力和成熟程度。
其另一個優勢在於對工藝的持續研發與高度關注，從最初的打樣階段到最終幫助客戶實現量產，提供全套的工藝支持，能迅速助力客戶實現從研發到量產的快速過渡。
Morphotonics擁有獨特的R2P（卷對板）納米壓印技術。該技術涉及四個滾輪，滾輪外圈纏繞的是柔性壓印板。該板表面具有所需結構的相反結構，類似於蓋章的原理，印章上面內容是與最終所需東西的反面，首先需要製作出這種柔性壓印板，並將其安裝於機器上。
壓印過程始於壓印板與基板的接觸。壓印基板需先塗抹增粘劑以提高粘附能力，再塗覆樹脂，樹脂是最終成型的直接材料。壓印板與基板接觸後，所需結構就會呈現出來。隨後，在後端進行紫外固化，利用紫外光將樹脂從液態轉化爲固態，從而鎖定其形狀。固化後，進行脫模工藝，類似於注塑中的模具與材料分離。
脫模後，機器表面即形成所需的表面形貌，這種形貌可應用於多種不同場景。例如，具有高縱橫比的微納結構，高度可達2μm，直徑約爲500nm；還有具有傾斜角的納米結構，寬度約爲200nm，深度約爲300nm。這些複雜結構通常難以加工，但Morphotonics的大面積納米壓印技術能夠實現它們的高效大規模生產。
得益於Morphotonics設備的大面積覆蓋特性和壓印在平板上的能力，其關注的應用方向集中於顯示領域，尤其是大屏幕顯示。其技術能夠壓印超過1平方米的大尺寸玻璃板，相當於五代線（Gen5）顯示尺寸的玻璃，從而與衆多消費電子產品實現良好結合。
Erhan Ercan談道，顯示功能是實現人與智能設備交互的重要窗口，而光波導是智能眼鏡實現顯示功能的核心組成部分。推進光波導及相關智能眼鏡市場，需要整個產業鏈的協同合作。爲將產業鏈上下游緊密串聯，Morphotonics與業界頭部企業合作成立了AR聯盟。
聯盟成員包括光學設計軟件開發商LightTrans、AR光波導母板加工商NIL Technology、納米壓印高折玻璃基板供應商SCHOTT（肖特）、納米壓印高折樹脂供應商 Pixelligent、光學測試系統技術提供商Optofidelity、激光切割技術提供商3D-Micromac等企業，覆蓋從設計到量產的全產業鏈。
Erhan Ercan坦言，目前業界尚未形成統一的光波導標準。不過，對比度、MTF（調製傳遞函數）銳度等顯示參數的測量標準已經存在，其中一些標準也可以應用於智能眼鏡的光學領域。據他分享，Morphotonics與總部位於芬蘭的OptoFidelity（歐拓飛，原爲芬蘭企業，後被中國公司收購）建立了合作關係，將在未來2~3個月內進行一項試點生產，製造超過500片AR光波導，並由OptoFidelity進行測量。
結語：爲智能眼鏡普及做好前期準備，將更好服務於中國市場
Erhan Ercan預測，要將智能眼鏡普及，處於300~400美元價格區間的設備年銷量需要達到數千萬臺，Morphotonics一直在爲此進行技術開發和準備，致力於通過創新解決方案推動行業的規模化發展。
據李政觀察，光波導市場處於初期階段，帶有顯示功能的智能眼鏡尚未成爲主流，新技術的推廣需要時間。Morphotonics提供的解決方案是爲了應對大規模量產化的前期準備，旨在提供切實可行的生產端解決方案，助力智能眼鏡行業實現更快、更穩的發展。
他分享說，當前Morphotonics在國內擁有四五家客戶，主要集中於顯示領域，涵蓋3D及AR技術，其戰略目標是深耕中國市場，擴大市場佔有率，並贏得更多客戶。在智能眼鏡領域，Morphotonics已與不同廠商進行了多層次的接觸，計劃加強與OEM、ODM廠商及品牌運營商的合作，以更好地服務於中國市場，提升市場覆蓋率。