AR眼镜中的显示技术:虚拟超脱想象之外,包罗万象却基于现实

标签:AR眼镜
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近几年,元宇宙如一阵热风,吹起了无数人对于“科技、梦幻与未来”的想象。随着“元宇宙”的火爆,作为其硬件载体的AR、VR设备成为了科技创新的重要领域之一。AR增强现实(Augmented Reality,简称AR),是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术,让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术。

 

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AR技术主要包括硬件、软件、内容和平台四个部分,在本篇文章中重点讨论的是用于主要硬件部分显示光机的光源。在进入正式内容之前,不妨先畅想一下,我们想要现实如电影中科幻的AR眼镜,应该具备什么特点?首先,在技术上要实现虚实的完全融合,其次要在外观上应与普通眼镜无异。而要达到这两点则包括了重量、人体工学、高效能等数十个因素,在这重重的困难中显示技术是关键的突破口。

主流AR眼镜中的显示技术有哪些?

目前用于AR眼镜的主流显示技术可以分为被动式微显示技术,主动式微显示技术以及扫描显示技术。

被动式微显示技术

被动式微显示技术包括传统的LCD以及DLP、LCOS等,它们在工作时需要使用RGB LED或者RGB激光器作为光源。被动式微显示技术在市场上已经相当成熟,通过该技术可以实现高亮度、高色域等优点,但光机体积相对其他微显示技术会相对较大,并且光展量有限。

主动式微显示技术

主动式微显示技术包括使用Micro OLED和Micro LED的显示技术。Micro OLED又称为硅基OLED,拥有自发光等特性,较适合在VR眼镜中使用。如果在AR设备使用Micro OLED显示器,明亮场景下,显示效果会大打折扣。主要原因是目前主流的Micro OLED显示技术亮度仅能达到1000-6000尼特,最终入眼亮度可能只有200-300尼特。而Micro LED在效率、亮度、色域对比度方面都有更好的表现。但由于RGB的集成难度非常大,因此该技术的应用还具有很多挑战。

扫描显示技术

扫描显示技术(LBS)使用RGB激光器作为光源,搭配MEMS进行扫描成像。它兼具体积小、效率高、高色域和高对比度的优点,但系统设计较为复杂,并且由于激光的干涉效应会导致散斑现象出现,因此LBS技术在图像质量上也有待提升。

 

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AR光机设计需要权衡

在AR虚拟信息显示中,显示的信息需要根据眼镜佩戴者的动作不断调整适应,并叠加在用户在现实世界中实际看到的东西上。计算机需要通过摄像头、GPS定位或传感器数据检测环境,并选择需要展示的信息。因此,在进行设计时,工程师要考虑包括重量、人体工学、显示亮度、成本等许多因素。各项因素之间互相作用,在我们目前的技术水平下,难以完全满足所有要求,我们要基于需求去设置不同的优先级而决定相关的显示方案(即光源和光学方案)。

艾迈斯欧司朗作为全球光学方案领导者旗下有多种LED为AR光机提供光源。其中,在分色镜方案中,艾迈斯欧司朗提供红蓝二合一LED-LE BR Q7WM.02、单绿LED-LE T Q8WM、转换绿光LED-LCG H9RM。在导光柱方案中,提供将RGB三颗芯片集成在一个封装里面,再搭配导光柱实现照明场景的LED-LE RTB N7WM。

 

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在AR中,分色镜和导光柱都是常用的合光方案。一般来讲,分色镜方案可以收取更多的光能量,因此拥有更好的颜色均一度,能够实现更高的显示亮度。但分色镜方案需要较多的光学器件,这会导致光机的尺寸较大,同时对于组装精度也有严苛的要求。而导光柱方案则不需要很多的分光镜,因此组装精度较低、光机的尺寸也相对较小,但由于排布的关系,显示器可以利用到的LED光能量较低,同时由于排布位置的差异也会使颜色均一度较差。

为了改善颜色均一度,艾迈斯欧司朗在原本RGB三颗芯片“一”字形排列的基础上,推出了“田”字型LED-MOSAIC,它包括了RGGB四颗芯片的版本以及RRGGBB六颗芯片的版本。相比于原本的“一”字型排列,这种排列方式不仅提升了颜色的均一度,而且进一步缩小了芯片表面相对于封装表面的距离(从原来的0.44mm降到0.15mm),意味着光学离芯片更近,实现收光更容易、颜色更均匀。

 

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那么方案可实现什么样的显示亮度呢?

以基于RGGB MOSAIC的AR显示亮度示例,当LED的电功率为1W时,输出的光通量约为50lm,经过前端光学系统后,可以输出10%到20%,也就是说在到达光波导镜片之前会维持5到10lm的光通量。匹配不同的光波导类型,可以实现350nits到6500nits的入眼亮度。

 

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利用MOSAIC LED搭配LCOS或者是DLP的方式可以将光机体积缩小到3-5个cc(立方厘米),这相比传统的LED+分色镜方案的5-10cc的光机体积,在尺寸和重量方面都有了大幅度降低。尽管如此,对于普通消费AR来说,这样的体积依旧不是理想的状态,尺寸需要进一步缩减。由此,艾迈斯欧司朗开发了一款适用于激光束扫描(LBS)技术的RGB集成式激光器,使用该激光器搭配MEMS的方案,可以将整个光机的体积缩小到1cc以下,这对于普通消费类AR眼镜来说有较大的促进作用。

 

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新型R/G/B激光模组

在LBS方案中最重要的三要素是RGB三色激光、光束整形光学以及scanning mirror(s)。其原理是RGB三色的激光从激光模组发出后,经由光学元件准直以及合束以后到达MEMS mirror,再经由MEMS mirror反射出来,耦合进入光波导。光波导就像一般眼镜的镜片一样,影像会在光波导里面传递,然后最终投射到使用者的眼睛。

 

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LBS技术本身并不是全新的显示技术,早期采用的3个分离式R/G/B TO38激光器的光机尺寸较大,约为1.7cc左右,而基于艾迈斯欧司朗推出的三合一RGB激光器(VEGALAS™ RGB)设计的光机可将尺寸进一步缩小至0.7cc。这颗激光器尺寸仅为7×4.6×1.2(mm3),可以直接做SMD贴片。并且使用了气密性的封装设计,可以防止特别是蓝光激光器免受外接环境影响从而大幅提升了可靠性。需要强调的一点是,由于这颗激光器还没有集成光束整形光学,所以光束准直和合束需要在封装外实现。

 

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基于VEGALAS™ RGB的光机显示亮度和激光器功率的是如何对应的呢?艾迈斯欧司朗做了这样一个简单的估算。以设置1500nits的目标入眼亮度为例,光波导的转换率大约是150nits/lm,因此在进入到光波导之前,光通量需要10lm左右。激光器经过光学器件的整形和合束,一般可实现50%以上的集光效率。我们可以计算出需要激光器的输出光通量为17lm,再将其转换成所需要的三个颜色的光功率,所需总光功率大约为78mW,然后依据每个芯片目前所能实现的电光转换效率来计算,大概需要0.8W电功率输入。

 

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通过RGB激光器的波长、目标白点以及等效的白光通量@目标白点等参数可以计算出需要红色的芯片输出39mW的光功率,绿色的需要25mW的光功率,蓝色需要14mW的光功率,这个就是前面78mW总光功率需求的来源。

 

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未来:多光速扫描(Multi-Beam Scanning

为了使AR眼镜更小、更轻薄,能达到消费级的技术水平。除了目前正在开发的VEGALAS RGB三合一的激光器以外,还可将光束扫描方案进行扩展,即多光速扫描(就是Multi-Beam Scanning,简称MBS)。举例来说,我们可以在绿光激光器一个发射点的基础上,做出多个发射点,从而得到拥有更高更密集的扫描点像素,这可以有效提升整个显示的分辨率和均匀性。但目前来说,多光速扫描技术实现相对困难,若想真正商业化还有较长的路要走。不过对此艾迈斯欧司朗已经做好充分的准备,致力于为消费者在虚拟与现实世界带来“包罗万象”的视觉体验。

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