AR眼鏡中的顯示技術：虛擬超脫想象之外，包羅萬象卻基于現實

近幾年，元宇宙如一陣熱風，吹起了無數人對于“科技、夢幻與未來”的想象。隨著“元宇宙”的火爆，作為其硬件載體的AR、VR設備成為了科技創新的重要領域之一。AR增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），是指透過攝影機影像的位置及角度精算并加上圖像分析技術，讓屏幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景進行結合與交互的技術。

AR技術主要包括硬件、軟件、內容和平臺四個部分，在本篇文章中重點討論的是用于主要硬件部分顯示光機的光源。在進入正式內容之前，不妨先暢想一下，我們想要現實如電影中科幻的AR眼鏡，應該具備什么特點？首先，在技術上要實現虛實的完全融合，其次要在外觀上應與普通眼鏡無異。而要達到這兩點則包括了重量、人體工學、高效能等數十個因素，在這重重的困難中顯示技術是關鍵的突破口。

主流AR眼鏡中的顯示技術有哪些？

目前用于AR眼鏡的主流顯示技術可以分為被動式微顯示技術，主動式微顯示技術以及掃描顯示技術。

1.被動式微顯示技術

被動式微顯示技術包括傳統的LCD以及DLP、LCOS等，它們在工作時需要使用RGB LED或者RGB激光器作為光源。被動式微顯示技術在市場上已經相當成熟，通過該技術可以實現高亮度、高色域等優點，但光機體積相對其他微顯示技術會相對較大，并且光展量有限。

2.主動式微顯示技術

主動式微顯示技術包括使用Micro OLED和Micro LED的顯示技術。Micro OLED又稱為硅基OLED，擁有自發光等特性，較適合在VR眼鏡中使用。如果在AR設備使用Micro OLED顯示器，明亮場景下，顯示效果會大打折扣。主要原因是目前主流的Micro OLED顯示技術亮度僅能達到1000-6000尼特，最終入眼亮度可能只有200-300尼特。而Micro LED在效率、亮度、色域對比度方面都有更好的表現。但由于RGB的集成難度非常大，因此該技術的應用還具有很多挑戰。

3.掃描顯示技術

掃描顯示技術（LBS）使用RGB激光器作為光源，搭配MEMS進行掃描成像。它兼具體積小、效率高、高色域和高對比度的優點，但系統設計較為復雜，并且由于激光的干涉效應會導致散斑現象出現，因此LBS技術在圖像質量上也有待提升。

AR光機設計需要“權衡”

在AR虛擬信息顯示中，顯示的信息需要根據眼鏡佩戴者的動作不斷調整適應，并疊加在用戶在現實世界中實際看到的東西上。計算機需要通過攝像頭、GPS定位或傳感器數據檢測環境，并選擇需要展示的信息。因此，在進行設計時，工程師要考慮包括重量、人體工學、顯示亮度、成本等許多因素。各項因素之間互相作用，在我們目前的技術水平下，難以完全滿足所有要求，我們要基于需求去設置不同的優先級而決定相關的顯示方案（即光源和光學方案）。

艾邁斯歐司朗作為全球光學方案領導者旗下有多種LED為AR光機提供光源。其中，在分色鏡方案中，艾邁斯歐司朗提供紅藍二合一LED-LE BR Q7WM.02、單綠LED-LE T Q8WM、轉換綠光LED-LCG H9RM。在導光柱方案中，提供將RGB三顆芯片集成在一個封裝里面，再搭配導光柱實現照明場景的LED-LE RTB N7WM。

在AR中，分色鏡和導光柱都是常用的合光方案。一般來講，分色鏡方案可以收取更多的光能量，因此擁有更好的顏色均一度，能夠實現更高的顯示亮度。但分色鏡方案需要較多的光學器件，這會導致光機的尺寸較大，同時對于組裝精度也有嚴苛的要求。而導光柱方案則不需要很多的分光鏡，因此組裝精度較低、光機的尺寸也相對較小，但由于排布的關系，顯示器可以利用到的LED光能量較低，同時由于排布位置的差異也會使顏色均一度較差。

為了改善顏色均一度，艾邁斯歐司朗在原本RGB三顆芯片“一”字形排列的基礎上，推出了“田”字型LED-MOSAIC，它包括了RGGB四顆芯片的版本以及RRGGBB六顆芯片的版本。相比于原本的“一”字型排列，這種排列方式不僅提升了顏色的均一度，而且進一步縮小了芯片表面相對于封裝表面的距離（從原來的0.44mm降到0.15mm），意味著光學離芯片更近，實現收光更容易、顏色更均勻。

那么該方案可實現什么樣的顯示亮度呢？

以基于RGGB MOSAIC的AR顯示亮度示例，當LED的電功率為1W時，輸出的光通量約為50lm，經過前端光學系統后，可以輸出10%到20%，也就是說在到達光波導鏡片之前會維持5到10lm的光通量。匹配不同的光波導類型，可以實現350nits到6500nits的入眼亮度。

利用MOSAIC LED搭配LCOS或者是DLP的方式可以將光機體積縮小到3-5個cc（立方厘米），這相比傳統的LED+分色鏡方案的5-10cc的光機體積，在尺寸和重量方面都有了大幅度降低。盡管如此，對于普通消費AR來說，這樣的體積依舊不是理想的狀態，尺寸需要進一步縮減。由此，艾邁斯歐司朗開發了一款適用于激光束掃描（LBS）技術的RGB集成式激光器，使用該激光器搭配MEMS的方案，可以將整個光機的體積縮小到1cc以下，這對于普通消費類AR眼鏡來說有較大的促進作用。

新型R/G/B激光模組

在LBS方案中最重要的三要素是RGB三色激光、光束整形光學以及scanning mirror(s)。其原理是RGB三色的激光從激光模組發出后，經由光學元件準直以及合束以后到達MEMS mirror，再經由MEMS mirror反射出來，耦合進入光波導。光波導就像一般眼鏡的鏡片一樣，影像會在光波導里面傳遞，然后最終投射到使用者的眼睛。

LBS技術本身并不是全新的顯示技術，早期采用的3個分離式R/G/B TO38激光器的光機尺寸較大，約為1.7cc左右，而基于艾邁斯歐司朗推出的三合一RGB激光器（VEGALAS? RGB）設計的光機可將尺寸進一步縮小至0.7cc。這顆激光器尺寸僅為7×4.6×1.2（mm3），可以直接做SMD貼片。并且使用了氣密性的封裝設計，可以防止特別是藍光激光器免受外接環境影響從而大幅提升了可靠性。需要強調的一點是，由于這顆激光器還沒有集成光束整形光學，所以光束準直和合束需要在封裝外實現。

基于VEGALAS? RGB的光機顯示亮度和激光器功率的是如何對應的呢？艾邁斯歐司朗做了這樣一個簡單的估算。以設置1500nits的目標入眼亮度為例，光波導的轉換率大約是150nits/lm，因此在進入到光波導之前，光通量需要10lm左右。激光器經過光學器件的整形和合束，一般可實現50%以上的集光效率。我們可以計算出需要激光器的輸出光通量為17lm，再將其轉換成所需要的三個顏色的光功率，所需總光功率大約為78mW，然后依據每個芯片目前所能實現的電光轉換效率來計算，大概需要0.8W電功率輸入。

通過RGB激光器的波長、目標白點以及等效的白光通量@目標白點等參數可以計算出需要紅色的芯片輸出39mW的光功率，綠色的需要25mW的光功率，藍色需要14mW的光功率，這個就是前面78mW總光功率需求的來源。

未來：多光速掃描（Multi-Beam Scanning）

為了使AR眼鏡更小、更輕薄，能達到消費級的技術水平。除了目前正在開發的VEGALAS RGB三合一的激光器以外，還可將光束掃描方案進行擴展，即多光速掃描（就是Multi-Beam Scanning，簡稱MBS）。舉例來說，我們可以在綠光激光器一個發射點的基礎上，做出多個發射點，從而得到擁有更高更密集的掃描點像素，這可以有效提升整個顯示的分辨率和均勻性。但目前來說，多光速掃描技術實現相對困難，若想真正商業化還有較長的路要走。不過對此艾邁斯歐司朗已經做好充分的準備，致力于為消費者在虛擬與現實世界帶來“包羅萬象”的視覺體驗。

來源：艾邁斯歐司朗系統方案工程經理 孫文軒