近幾年,，元宇宙如一陣熱風,，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),。
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、目標白點以及等效的白光通量@目標白點等參數(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,。
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