激光已经有60多年的历史了,而近年来,基于激光的显示技术的发展仍在加速。当下,激光已经基本应用于激光照明、平板电视、微型投影仪、头戴式增强现实显示器和AR眼镜等不同产品。在AR领域中,基于激光的显示器包括紧凑的激光源,如边缘发光二极管,垂直腔面发射激光器(VCSEL),以及光泵浦半导体激光器。
激光光束扫描(LBS)模块与反射、折射和衍射波导耦合是激光显示的一个重要组成部分,其具体要求取决于光源规格、调制技术和显示器使用的扫描方法。
当与紧凑、快速、可靠的技术(如MEMS反射镜)相结合时,基于扫描的激光系统可以精确地呈现具有广泛颜色范围的激光清晰图像,并通过使用光学组合器技术向用户显示。
LBS应用于AR的优势

AR革命的门槛

今天,我们即将迎来激光扫描(LBS)技术的下一场革命。
数字信息和其他内容现在可以直接覆盖到现实世界,基于AR可穿戴设备,用户可以同时体验到现实世界和虚拟世界。
当然,将虚拟世界和现实世界结合在一起也有一些关键的影响因素首先,图像必须无缝集成。也就是说,它们必须看起来自然,用户必须能够直观地与图像和数字对象交互。为了获得更多丰富的内容(超越文本、符号和其他信息)和真正的沉浸式体验,数字图像还必须具有逼真的真实感和“world-locked”(如虚拟物体被放置在参考真实物体的位置上)。这是另一种说法,即数字对象必须以正确的大小、深度感知和位置占据物理空间。
总之,良好的显示效果需要视觉上连续的立体图像,还需要具有宽色域、大视场(FoV)、大眼箱、高动态范围,以匹配真实世界的照明——即使在明亮的环境条件下——当然,还需要自然调节焦距。
而仅有一个完美的图像还远远不够,为了获得良好的用户体验,现代AR系统还必须是轻量级的,能提供高亮度,低功耗,时尚设计的,提供直观的用户界面,并支持全天使用的。
实现优良AR体验的挑战
虽然所有这些列举的要求必须同时存在,但在AR行业中仍有一些要求被认为是相互排斥的。
不幸的是,在开发产品时,权衡取舍是经常需要进行的操作。当我们试图增加用户体验的一个方面时,往往会选择通过降低另一项功能来实现它。如增加亮度经常以降低功率来实现,增加视场角通常以降低分辨率为代价。
那么,关键问题来了:怎样才能最好地优化AR系统中光的使用方式,从而尽可能地减少在各项指标之间的妥协?
对于这个问题,有一个答案是基于激光的扫描技术,通过应用在强现实设备上,它能帮助我们克服这些挑战,提高用户体验。
接下来,我们就来一起看看,LBS系统在架构方面究竟有哪些好处。
AR中使用LBS的架构优势
在任何投影系统中,使用的光源对图像质量(和体验)都有根本性的影响。而使用激光作为光源,有助于实现显著更好的图像质量。
除了光源,还有一个影响因素是使用照明光源的显示技术。LBS扫描与传统的固定像素显示技术(如DLP、LCoS、Micro OLED和Micro LED设备,甚至CRT)有很大不同。LBS依靠的是MEMS微镜扫描给定视场的激光像素,并通过逐像素调制的模式。在这方面,大家可以把LBS系统想象成一个“飞行点”显示器。LBS的优势包括:紧凑的形态,非常高的亮度,质量小,低功耗,可扩展性(即分辨率,视场,功耗),所有这些都在给定的设计或架构内。
另一方面,固定像素技术通常会受到亮度的影响,或者在某些情况下,亮度以牺牲功耗、尺寸和非常有限的可扩展性为代价。在固定像素设备(设备有一个固定的像素阵列),或DLP和LCoS面板的情况下,由于外部光源通过额外的光学(也称为反射显示面板)照明。因此,分辨率是固定的,不能为给定的设备更改。
典型的增强现实内容只包含全部显示分辨率之外的一小部分同时活跃的像素。无论选择的技术是什么,照明都是总显示功耗中一个重要的因素。一个重要的情况是,固定像素设备的功耗通常更高,因为无论要显示多少像素,整个显示器都必须被照亮,而LBS系统的操作方式本质上就是在管理这一点。在LBS系统中,每个像素都是预先调制的,因此每个像素的亮度随着内容的变化而变化,激光功率也随之变化。也就是说,当某个区域的像素是黑色的(或者该区域没有内容),激光二极管就会关闭。同样地,当某一区域的内容比其他区域的亮度更低时,激光二极管的功率也会相应地降低。
其次,对于高分辨率的固定像素设备,设备尺寸增大是因为像素数量的增加而导致面板尺寸增大,这也意味着需要更大的照明光学来显示整个面板和输出图像。显然,在可实现的图像源的产品形态和亮度之间存在着一个很强的权衡。基本上,LBS成像系统的核心依赖于超小型MEMS反射镜(通常在1-3mm范围内),它可以与超紧凑激光二极管模块和非常简单的光学准直激光器相结合,从而实现极小尺寸的光学光引擎,远低于1cc。
此外,自发光设备,如micro-OLED和micro-LED,虽然不受照明源的限制,但要么亮度低,设备可靠性有限,比如micro-OLED;要么仍需很多年才能实现商业应用,如全彩micro-LED。今天,LBS提供了最好的整体架构,提供了必要的性能、功能特点权衡、灵活性和可伸缩性,以满足AR市场的苛刻需求。

原文始发于微信公众号(珑璟光电):LBS应用于AR的优势

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作者 sun, keting