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文/艾邁斯歐司朗系統(tǒng)方案工程經(jīng)理 孫文軒 近幾年，元宇宙如一陣熱風(fēng)，吹起了無數(shù)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(shè)備成為了科技創(chuàng)新的重要領(lǐng)域之一。AR增強現(xiàn)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(shù)，讓屏幕上的虛擬世界能夠與現(xiàn)實世界場景進行結(jié)合與交互的技術(shù)。 
AR技術(shù)主要包括硬件、軟件、內(nèi)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(nèi)容之前，不妨先暢想一下，我們想要現(xiàn)實如電影中科幻的AR眼鏡，應(yīng)該具備什么特點？首先，在技術(shù)上要實現(xiàn)虛實的完全融合，其次要在外觀上應(yīng)與普通眼鏡無異。而要達到這兩點則包括了重量、人體工學(xué)、高效能等數(shù)十個因素，在這重重的困難中顯示技術(shù)是關(guān)鍵的突破口。 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)可以分為被動式微顯示技術(shù)，主動式微顯示技術(shù)以及掃描顯示技術(shù)。 1. 被動式微顯示技術(shù) 被動式微顯示技術(shù)包括傳統(tǒng)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(shù)在市場上已經(jīng)相當(dāng)成熟，通過該技術(shù)可以實現(xiàn)高亮度、高色域等優(yōu)點，但光機體積相對其他微顯示技術(shù)會相對較大，并且光展量有限。 2. 主動式微顯示技術(shù) 主動式微顯示技術(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(shù)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?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)。 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進行掃描成像。它兼具體積小、效率高、高色域和高對比度的優(yōu)點，但系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，并且由于激光的干涉效應(yīng)會導(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。
AR光機設(shè)計需要“權(quán)衡” 在AR虛擬信息顯示中，顯示的信息需要根據(jù)眼鏡佩戴者的動作不斷調(diào)整適應(yīng)，并疊加在用戶在現(xiàn)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(shù)據(jù)檢測環(huán)境，并選擇需要展示的信息。因此，在進行設(shè)計時，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)先級而決定相關(guān)的顯示方案（即光源和光學(xué)方案）。 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(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封裝里面，再搭配導(dǎo)光柱實現(xiàn)照明場景的LED-LE RTB N7WM。
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，這會導(dǎo)致光機的尺寸較大，同時對于組裝精度也有嚴(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、光機的尺寸也相對較小，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(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(xué)離芯片更近，實現(xiàn)收光更容易、顏色更均勻。
那么該方案可實現(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，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%，也就是說在到達光波導(dǎo)鏡片之前會維持5到10lm的光通量。匹配不同的光波導(dǎo)類型，可以實現(xiàn)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(tǒng)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(tài)，尺寸需要進一步縮減。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(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MEMS mirror，再經(jīng)由MEMS mirror反射出來，耦合進入光波導(dǎo)。光波導(dǎo)就像一般眼鏡的鏡片一樣，影像會在光波導(dǎo)里面?zhèn)鬟f，然后最終投射到使用者的眼睛。
LBS技術(shù)本身并不是全新的顯示技術(shù)，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(shè)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(shè)計，可以防止特別是藍光激光器免受外接環(huán)境影響從而大幅提升了可靠性。需要強調(diào)的一點是，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現(xiàn)。
基于VEGALAS RGB的光機顯示亮度和激光器功率的是如何對應(yīng)的呢？艾邁斯歐司朗做了這樣一個簡單的估算。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，一般可實現(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)每個芯片目前所能實現(xiàn)的電光轉(zhuǎn)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(biāo)白點以及等效的白光通量@目標(biāo)白點等參數(shù)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(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(fā)射點的基礎(chǔ)上，做出多個發(fā)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(shù)實現(xiàn)相對困難，若想真正商業(yè)化還有較長的路要走。不過對此艾邁斯歐司朗已經(jīng)做好充分的準(zhǔn)備，致力于為消費者在虛擬與現(xiàn)實世界帶來“包羅萬象”的視覺體驗。 |
