AR眼鏡中的顯示技術(shù)：虛擬超脫想象之外，包羅萬象卻基于現(xiàn)實(shí)

近幾年，元宇宙如一陣熱風(fēng)，吹起了無數(shù)人對(duì)于“科技、夢(mèng)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(shè)備成為了科技創(chuàng)新的重要領(lǐng)域之一。AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是指透過攝影機(jī)影像的位置及角度精算并加上圖像分析技術(shù)，讓屏幕上的虛擬世界能夠與現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合與交互的技術(shù)。
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AR技術(shù)主要包括硬件、軟件、內(nèi)容和平臺(tái)四個(gè)部分，在本篇文章中重點(diǎn)討論的是用于主要硬件部分顯示光機(jī)的光源。在進(jìn)入正式內(nèi)容之前，不妨先暢想一下，我們想要現(xiàn)實(shí)如電影中科幻的AR眼鏡，應(yīng)該具備什么特點(diǎn)？首先，在技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的完全融合，其次要在外觀上應(yīng)與普通眼鏡無異。而要達(dá)到這兩點(diǎn)則包括了重量、人體工學(xué)、高效能等數(shù)十個(gè)因素，在這重重的困難中顯示技術(shù)是關(guān)鍵的突破口。
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主流AR眼鏡中的顯示技術(shù)有哪些？
目前用于AR眼鏡的主流顯示技術(shù)可以分為被動(dòng)式微顯示技術(shù)，主動(dòng)式微顯示技術(shù)以及掃描顯示技術(shù)。

1. 被動(dòng)式微顯示技術(shù)

被動(dòng)式微顯示技術(shù)包括傳統(tǒng)的LCD以及DLP、LCOS等，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)需要使用RGB LED或者RGB激光器作為光源。被動(dòng)式微顯示技術(shù)在市場(chǎng)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，通過該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高色域等優(yōu)點(diǎn)，但光機(jī)體積相對(duì)其他微顯示技術(shù)會(huì)相對(duì)較大，并且光展量有限。
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2. 主動(dòng)式微顯示技術(shù)

主動(dòng)式微顯示技術(shù)包括使用Micro OLED和Micro LED的顯示技術(shù)。Micro OLED又稱為硅基OLED，擁有自發(fā)光等特性，較適合在VR眼鏡中使用。如果在AR設(shè)備使用Micro OLED顯示器，明亮場(chǎng)景下，顯示效果會(huì)大打折扣。主要原因是目前主流的Micro OLED顯示技術(shù)亮度僅能達(dá)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?qū)Ρ榷确矫娑加懈玫谋憩F(xiàn)。但由于RGB的集成難度非常大，因此該技術(shù)的應(yīng)用還具有很多挑戰(zhàn)。
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3. 掃描顯示技術(shù)

掃描顯示技術(shù)（LBS）使用RGB激光器作為光源，搭配MEMS進(jìn)行掃描成像。它兼具體積小、效率高、高色域和高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，并且由于激光的干涉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致散斑現(xiàn)象出現(xiàn)，因此LBS技術(shù)在圖像質(zhì)量上也有待提升。
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AR光機(jī)設(shè)計(jì)需要“權(quán)衡”
在AR虛擬信息顯示中，顯示的信息需要根據(jù)眼鏡佩戴者的動(dòng)作不斷調(diào)整適應(yīng)，并疊加在用戶在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)際看到的東西上。計(jì)算機(jī)需要通過攝像頭、GPS定位或傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)環(huán)境，并選擇需要展示的信息。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，工程師要考慮包括重量、人體工學(xué)、顯示亮度、成本等許多因素。各項(xiàng)因素之間互相作用，在我們目前的技術(shù)水平下，難以完全滿足所有要求，我們要基于需求去設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)而決定相關(guān)的顯示方案（即光源和光學(xué)方案）。
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艾邁斯歐司朗作為全球光學(xué)方案領(lǐng)導(dǎo)者旗下有多種LED為AR光機(jī)提供光源。其中，在分色鏡方案中，艾邁斯歐司朗提供紅藍(lán)二合一LED-LE BR Q7WM.02、單綠LED-LE T Q8WM、轉(zhuǎn)換綠光LED-LCG H9RM。在導(dǎo)光柱方案中，提供將RGB三顆芯片集成在一個(gè)封裝里面，再搭配導(dǎo)光柱實(shí)現(xiàn)照明場(chǎng)景的LED-LE RTB N7WM。
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在AR中，分色鏡和導(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)更高的顯示亮度。但分色鏡方案需要較多的光學(xué)器件，這會(huì)導(dǎo)致光機(jī)的尺寸較大，同時(shí)對(duì)于組裝精度也有嚴(yán)苛的要求。而導(dǎo)光柱方案則不需要很多的分光鏡，因此組裝精度較低、光機(jī)的尺寸也相對(duì)較小，但由于排布的關(guān)系，顯示器可以利用到的LED光能量較低，同時(shí)由于排布位置的差異也會(huì)使顏色均一度較差。
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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(chǔ)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(jìn)一步縮小了芯片表面相對(duì)于封裝表面的距離（從原來的0.44mm降到0.15mm），意味著光學(xué)離芯片更近，實(shí)現(xiàn)收光更容易、顏色更均勻。
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那么該方案可實(shí)現(xiàn)什么樣的顯示亮度呢？
以基于RGGB MOSAIC的AR顯示亮度示例，當(dāng)LED的電功率為1W時(shí)，輸出的光通量約為50lm，經(jīng)過前端光學(xué)系統(tǒng)后，可以輸出10%到20%，也就是說在到達(dá)光波導(dǎo)鏡片之前會(huì)維持5到10lm的光通量。匹配不同的光波導(dǎo)類型，可以實(shí)現(xiàn)350nits到6500nits的入眼亮度。
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利用MOSAIC LED搭配LCOS或者是DLP的方式可以將光機(jī)體積縮小到3-5個(gè)cc（立方厘米），這相比傳統(tǒng)的LED+分色鏡方案的5-10cc的光機(jī)體積，在尺寸和重量方面都有了大幅度降低。盡管如此，對(duì)于普通消費(fèi)AR來說，這樣的體積依舊不是理想的狀態(tài)，尺寸需要進(jìn)一步縮減。由此，艾邁斯歐司朗開發(fā)了一款適用于激光束掃描（LBS）技術(shù)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(gè)光機(jī)的體積縮小到1cc以下，這對(duì)于普通消費(fèi)類AR眼鏡來說有較大的促進(jìn)作用。
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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(xué)以及scanning mirror(s)。其原理是RGB三色的激光從激光模組發(fā)出后，經(jīng)由光學(xué)元件準(zhǔn)直以及合束以后到達(dá)MEMS mirror，再經(jīng)由MEMS mirror反射出來，耦合進(jìn)入光波導(dǎo)。光波導(dǎo)就像一般眼鏡的鏡片一樣，影像會(huì)在光波導(dǎo)里面?zhèn)鬟f，然后最終投射到使用者的眼睛。


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LBS技術(shù)本身并不是全新的顯示技術(shù)，早期采用的3個(gè)分離式R/G/B TO38激光器的光機(jī)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(shè)計(jì)的光機(jī)可將尺寸進(jìn)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(shè)計(jì)，可以防止特別是藍(lán)光激光器免受外接環(huán)境影響從而大幅提升了可靠性。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，由于這顆激光器還沒有集成光束整形光學(xué)，所以光束準(zhǔn)直和合束需要在封裝外實(shí)現(xiàn)。
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基于VEGALAS? RGB的光機(jī)顯示亮度和激光器功率的是如何對(duì)應(yīng)的呢？艾邁斯歐司朗做了這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的估算。以設(shè)置1500nits的目標(biāo)入眼亮度為例，光波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換率大約是150nits/lm，因此在進(jìn)入到光波導(dǎo)之前，光通量需要10lm左右。激光器經(jīng)過光學(xué)器件的整形和合束，一般可實(shí)現(xiàn)50%以上的集光效率。我們可以計(jì)算出需要激光器的輸出光通量為17lm，再將其轉(zhuǎn)換成所需要的三個(gè)顏色的光功率，所需總光功率大約為78mW，然后依據(jù)每個(gè)芯片目前所能實(shí)現(xiàn)的電光轉(zhuǎn)換效率來計(jì)算，大概需要0.8W電功率輸入。
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通過RGB激光器的波長、目標(biāo)白點(diǎn)以及等效的白光通量@目標(biāo)白點(diǎn)等參數(shù)可以計(jì)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(lán)色需要14mW的光功率，這個(gè)就是前面78mW總光功率需求的來源。
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未來：多光速掃描（Multi-Beam Scanning）
為了使AR眼鏡更小、更輕薄，能達(dá)到消費(fèi)級(jí)的技術(shù)水平。除了目前正在開發(fā)的VEGALAS RGB三合一的激光器以外，還可將光束掃描方案進(jìn)行擴(kuò)展，即多光速掃描（就是Multi-Beam Scanning，簡(jiǎn)稱MBS）。舉例來說，我們可以在綠光激光器一個(gè)發(fā)射點(diǎn)的基礎(chǔ)上，做出多個(gè)發(fā)射點(diǎn)，從而得到擁有更高更密集的掃描點(diǎn)像素，這可以有效提升整個(gè)顯示的分辨率和均勻性。但目前來說，多光速掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難，若想真正商業(yè)化還有較長的路要走。不過對(duì)此艾邁斯歐司朗已經(jīng)做好充分的準(zhǔn)備，致力于為消費(fèi)者在虛擬與現(xiàn)實(shí)世界帶來“包羅萬象”的視覺體驗(yàn)。