灰度光刻：让微透镜阵列从设计图纸精准“落地”为HUD光学核心

  近年来，抬头显示（HUD）正从高端车型的选配走向智能座舱的标配，增强现实抬头显示（AR-HUD）更成为各大车企竞相布局的重点。整套AR-HUD的成像效果、使用体验，高度依赖微透镜阵列（MLA）这一核心光学元件；它贯穿整机光机链路，覆盖图像生成单元PGU、扩散成像屏、背光模组、光波导HUD等核心部件，承担匀光、视场扩展、眼盒优化、杂散光抑制、整机小型化、光场3D成像等多重功能，是决定HUD可视范围、画面清晰度、整机体积的关键元器件直接决定驾驶员肉眼看到的虚拟画面质量。

微透镜阵列在车载HUD中的应用场景

1、在光波导AR-HUD中，微透镜阵列作为出瞳扩展器（EPE），通过分光复制实现出瞳扩束与眼盒延展，同时结合角度调控优化出射光均匀性，有效扩大可视区域并压缩光机体积；

2、在AR-HUD光场成像中，微透镜阵列通过分割光束重构光场，实现近、中、远多层景深画面分层呈现，支持导航与预警标识贴合道路实景；

3、在传统HUD匀光优化中，微透镜阵列可校正背光出光均匀度，抑制杂散光，削弱挡风玻璃反光带来的画面重影问题。

HUD光路结构示意图，图中标注eyebox（眼盒，人眼有效可视区域）、PGU（图像生成单元）、FOV（视场角）、VID（虚拟成像距离）等核心光学结构（图片来源：https://doi.org/10.3390/mi15040442）

灰度光刻——微透镜阵列制造的理想工艺方案

传统掩模光刻存在多重固有局限：整套工艺流程繁琐，灰度掩模的设计与制造成本远高于二元掩模，且光学设计迭代需要重新制版，周期漫长；另外，工艺过程中对光刻胶特性、曝光剂量及显影条件的控制要求极为严苛，往往需要多次优化才能达到预期效果，同时最终结构的分辨率还受限于投影光刻系统自身的固有极限，难以进一步提升。

另一种热回流加工微透镜阵列的缺点集中体现在形貌性能与工艺控制两方面：其受表面张力驱动，仅能形成低高宽比结构，过高的透镜易塌陷，同时成型后因浸润作用易出现边缘曲率异常和中心凹陷的“甜甜圈”状畸变，难以获得理想球面，无法制备非球面或长焦距透镜；此外，最终形貌对光刻胶厚度、基底状态、回流温度和时间极度敏感，工艺重复性差，稍有不足或过度便会导致形状偏差或透镜合并报废，使得该方法在高精度、高性能应用场景中劣势明显。

针对以上痛点，托托科技无掩模版紫外光刻机具备4096阶灰度光刻能力，通过精准控制曝光剂量分布，可一次曝光直接形成球面、非球面或自由曲面等微透镜面形，无需多次套刻。这一工艺特点与微透镜阵列的制造需求高度匹配：微米级单元、连续面形、大面积阵列拼接，以及光学设计中的快速验证迭代需求。

托托科技·无掩模版紫外光刻设备制备的各类面形微透镜阵列

托托科技无掩模紫外光刻设备：赋能微透镜阵列的精密制造

加工精度：线宽精度最高可达300 nm，满足波导、光栅等微纳结构的高分辨率要求。

加工速度：高速型号可达1200 mm²/min，兼顾精细度与产出效率。

灰度光刻功能：支持4096阶灰度与亚纳米级粗糙度控制，直接加工微透镜阵列、菲涅尔透镜等三维微光学结构。

多种基底适应性：不仅兼容常规的硅片、氧化硅片、玻璃片、石英片、蓝宝石片，还可直接加工砷化镓、氮化镓等第二代/第三代半导体衬底，乃至各类柔性衬底与新型功能材料，实现在不同材质上自由书写微纳图案。

加工质量决定微透镜阵列的应用上限

无论何种集成方案，微透镜阵列的成像性能完全由自身物理形貌精度与阵列一致性决定，光路仿真设计再完善，若加工无法复刻预设曲面，光学设计价值将无法兑现。核心质控指标可分为以下四项：

面形精度：微透镜是球面、非球面还是自由曲面，直接决定光场调控的准确度；

表面粗糙度：影响杂散光与能量损耗；

阵列一致性：单元尺寸、间距、矢高的一致性决定整体均匀性；

有效面积：AR-HUD对微光学元件的功能有效区域要求很精准，面积越大，加工难度呈指数上升。

微透镜阵列加工产生的面形误差，最终会直观转化为车载 HUD 使用缺陷：画面亮度明暗不均、图像边缘虚化、挡风玻璃双重重影等，而这类问题正是用户评判 HUD 产品好坏最直观的标准。

光学轮廓仪推文链接：《从形貌到数据：白光干涉为何是最适合定义微透镜阵列品控标准的技术》

实测案例：

微透镜样品三维形貌图

测试结果报告输出

微透镜阵列样品三维形貌图

测试结果报告输出

微透镜阵列是决定了车载HUD显示品质的核心元件，而其制造精度决定了微透镜阵列的性能上限。从光学设计验证到小批量试制，托托科技无掩模紫外光刻设备依托无掩模数字化、超高加工精度、高阶灰度光刻的核心能力，将为微透镜阵列在车载HUD中的创新应用提供快速、灵活、高精度的制造解决方案。

欢迎有微透镜阵列光刻设备需求的客户联系我们，获取详细技术参数或预约样机演示。

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