从目前的AR显示技术方案来看,并没有万能的解决方案,但这并不是“摆烂”的理由。

随着2021年“元宇宙”概念的火爆,其主要硬件载体AR/VR设备成为近一两年来科技创新的重要领域之一,并受到了谷歌、Meta、苹果、OPPO、索尼、阿里巴巴、腾讯、小米等科技公司的青睐。

从市场划分的角度,AR眼镜用户被分成两大方向,一是普通消费者,他们对眼镜的要求通常是“舒适为王”;二是工业/企业用户,他们对眼镜的要求通常是“功能优先”。

技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?AR眼镜用户被分成普通消费者和工业/企业用户两大类

从组成原理的角度,AR主要由四个部分构成,分别是硬件、软件、内容和平台。其中在硬件方面,以Yole的分析报告为例,都会用绝大部分的篇幅来讨论显示技术和光学技术,而其他的功能讨论篇幅很少,这说明AR眼镜的显示技术在眼镜里所占的比重或者说意义非常大。

三种主流的AR眼镜显示技术

及其优缺点

目前,业界有三种主流的AR眼镜显示技术,分别为:被动式微显示技术、主动式微显示技术和扫描显示技术。其中,被动式的微显示技术,包括传统的LCD以及 AR眼镜市场上比较主流的显示技术DLP和LCOS,加上RGB的LED或RGB的激光器作为光源。主动式的微显示技术,包括VR上面已经普遍采用的Micro OLED技术以及大家都在期待的Micro LED的技术。而扫描显示技术,则基本上以LBS(Laser Beam Scanning)方案为主。

技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?业界三种主流的AR眼镜显示技术

这三个方向的技术各有优缺点,比如DLP/LCOS加LED的方案,技术非常成熟,具有高亮度、高色域等优点,但体积会相对较大,光展量比较有限;DLP/LCOS加激光的方案,除了拥有和LED类似的优点以外,体积相对加LED的方案会小一些,但相对Micro LED和LBS技术的方案又会大上不少,此外还会因为激光的单色性带来一部分的干涉效应,影响图像质量的提升;Micro OLED的方案更适合用在VR领域中,因为VR不需要和环境融合,在封闭现实环境中,其亮度已经足够,但对于AR来说,可能要适配阳光下使用的场景,亮度是远远不够的。

相比Micro OLED的方案,Micro LED则可以在AR中提供足够的亮度,并且拥有系统简单、效率高、色域广、对比度好和易扩展等优点,目前市场上有一些单色的Micro LED已经在使用,但是从量产的成熟性来说,还不是很高,其最大的问题在于RGB的集成难度非常大,将RGB的三种芯片都集成在同一个Panel上实现Micro LED显示还有很长的一段路要走。

而扫描显示技术LBS的方案,由于使用的是RGB激光器作为调制光源进行扫描成像的显示技术,所以具有体积小、效率高、高色域、高对比度和易扩展等优点,但其系统相对复杂,特别是在光学和电子方面,此外同样存在DLP/LCOS加激光方案中的激光干涉效应,影响图像质量的提升。

万能的AR显示技术方案

依然没有出现

AR显示本身是一个显示部件,有针对显示器件一般的技术要求,比如色域、亮度、对比度等,也有诸如尺寸、重量、美观性、眼动范围、视野角等眼镜设备的场景特殊性要求,所以从目前的AR显示技术方案来看,并没有万能的解决方案,我们需要基于需求去设置不同的优先级,进而决定相关的显示方案。

技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?分色镜方案和导光柱方案

就以使用LED的微显示系统为例,目前主流的有分色镜方案和导光柱方案两种。其中,分色镜方案可以收取更多的光能量,在颜色均匀度和显示亮度方面有优势,但从组成的角度来说,需要更多的光学器件,所以光机尺寸偏大,且对于组装的精度要求比较高。相比之下,导光柱的方案不需要这么多的光学元件,所以组装的精度要求较低,光机的尺寸较小,成本相对较低,但由于芯片排布的关系,显示器可以利用到的LED光能量较低,此外由于芯片位置的差异,相比于分色镜的合光方案,颜色均匀度方面要差一些。

基于以上因素考量,艾迈斯欧司朗等光学头部企业就在原本RGB芯片一字形排列的基础上,推出了田字形排列的RGGB四芯片版本和RRGGBB六芯片版本的MOSAIC LED方案。这种方案相对于一字型排列LED的方案的提升主要体现在两个方面:一是,从一字形的排列转变成田字形的排列,颜色均匀度会有较大改善;二是,芯片表面和封装表面的距离进一步减小,从而让光学部件离芯片更近,收光更容易,颜色更均匀。

技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?基于RGGB MOSAIC的AR显示亮度示例

图源 | 艾迈斯欧司朗

艾迈斯欧司朗可视化与激光产品线系统方案工程经理孙文轩表示:“对于大家关心的LED功耗以及能实现多少入眼亮度的问题,以RGGB这颗电功率为1W的LED为例,可以输出50lm的光通量,经过前端的光学系统,在到达光波导镜片之前,可以维持约5-10lm光通量,再匹配不同的光波导类型,最终可以达到入眼亮度从350nits到6500nits不等。”

普通消费者需要什么样的AR眼镜?

普通消费者需要什么样的AR眼镜?总结下来尺寸、重量和美观这三点最重要,这就给显示方案中的光机尺寸提出了更高的要求。

技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?普通消费者想要的AR眼镜

而传统2通道的LED加上分色镜的方案,可以实现的光机体积大概在5-10立方厘米左右,前面提到的MOSAIC LED搭配DLP/LCOS的方案,可以实现的光机体积大概在3-5立方厘米左右。对于普通消费者来说,这两种方案的光机体积都过大,不能接受。而LBS的方案,通过集成的RGB激光器搭配MEMS,可以把光机体积缩小到1立方厘米以下,这项显示技术将促进消费者端AR设备的应用落地。

技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?

基于VEGALAS™ RGB 的显示亮度和激光器功率估算

图源 | 艾迈斯欧司朗

在LBS的方案中,对于大家市场关心的显示方案大概能实现多少的入眼亮度,消耗多少电功率以及怎么样去匹配相应的每颗芯片的光功率的问题,孙文轩表示可以这样推算:“如果设置1500nits的入眼亮度目标,光波导的转换率大概是150nits/lm,在进入到光波导之前,光通量需要在10lm左右,经过前段光学器件的准直合束,预计会有50%以上的收集光的效率,需要激光器约17lm的输出,转换成三个颜色,总的光功率要求约78mW,再依据每个芯片目前所能实现的效率来计算,需要约0.8W的电功率输入。”

写在最后

在AR显示领域,除了万众期待的Micro LED,也就是真正地将RGB三种芯片都能集成在一个Panel上的Micro LED以外,是否还有更成熟的方案,可以实现AR眼镜更小、更轻薄的特性呢?基于LBS扩展的方案——多光束扫描MBS或可短期内替代Micro LED方案。

原文始发于微信公众号(与非网eefocus):技术科普 | AR眼镜需要怎样的显示技术?

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作者 sun, keting