【導讀】近幾年，元宇宙如一陣熱風，吹起了無數人對於“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設備成為了科技創新的重要領域之一。AR增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）
，是指透過攝影機影像的位置及角度精算並加上圖像分析技術
，讓屏幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景進行結合與交互的技術。

AR技術主要包括硬件
、軟件、內(nei)容(rong)和(he)平(ping)台(tai)四(si)個(ge)部(bu)分(fen)，在(zai)本(ben)篇(pian)文(wen)章(zhang)中(zhong)重(zhong)點(dian)討(tao)論(lun)的(de)是(shi)用(yong)於(yu)主(zhu)要(yao)硬(ying)件(jian)部(bu)分(fen)顯(xian)示(shi)光(guang)機(ji)的(de)光(guang)源(yuan)。在(zai)進(jin)入(ru)正(zheng)式(shi)內(nei)容(rong)之(zhi)前(qian)，不(bu)妨(fang)先(xian)暢(chang)想(xiang)一(yi)下(xia)
，我(wo)們(men)想(xiang)要(yao)現(xian)實(shi)如(ru)電(dian)影(ying)中(zhong)科(ke)幻(huan)的(de)AR眼鏡，應該具備什麼特點？首先
，在技術上要實現虛實的完全融合
，其次要在外觀上應與普通眼鏡無異。而要達到這兩點則包括了重量、人體工學、高效能等數十個因素，在這重重的困難中顯示技術是關鍵的突破口。

主流AR眼鏡中的顯示技術有哪些？

目前用於AR眼鏡的主流顯示技術可以分為被動式微顯示技術，主動式微顯示技術以及掃描顯示技術。

1.被動式微顯示技術

被動式微顯示技術包括傳統的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。被動式微顯示技術在市場上已經相當成熟
，通過該技術可以實現高亮度、高色域等優點

，但光機體積相對其他微顯示技術會相對較大
，並且光展量有限。

2.主動式微顯示技術

主動式微顯示技術包括使用Micro OLED和Micro LED的顯示技術。Micro OLED又稱為矽基OLED
，擁有自發光等特性
，較適合在VR眼鏡中使用。如果在AR設備使用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顯示技術亮度僅能達到1000-6000尼特，最終入眼亮度可能隻有200-300尼特。而Micro LED在效率、亮度、色域對比度方麵都有更好的表現。但由於RGB的集成難度非常大，因此該技術的應用還具有很多挑戰。

3.掃描顯示技術

掃描顯示技術（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點
，但係統設計較為複雜，並且由於激光的幹涉效應會導致散斑現象出現，因此LBS技術在圖像質量上也有待提升。

AR光機設計需要“權衡”

在AR虛(xu)擬(ni)信(xin)息(xi)顯(xian)示(shi)中(zhong)，顯(xian)示(shi)的(de)信(xin)息(xi)需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)眼(yan)鏡(jing)佩(pei)戴(dai)者(zhe)的(de)動(dong)作(zuo)不(bu)斷(duan)調(tiao)整(zheng)適(shi)應(ying)，並(bing)疊(die)加(jia)在(zai)用(yong)戶(hu)在(zai)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)中(zhong)實(shi)際(ji)看(kan)到(dao)的(de)東(dong)西(xi)上(shang)。計(ji)算(suan)機(ji)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)攝(she)像(xiang)頭(tou)、GPS定位或傳感器數據檢測環境
，並選擇需要展示的信息。因此，在進行設計時，工程師要考慮包括重量

、人體工學、顯示亮度、chengbendengxuduoyinsu。gexiangyinsuzhijianhuxiangzuoyong，zaiwomenmuqiandejishushuipingxia
，nanyiwanquanmanzusuoyouyaoqiu，womenyaojiyuxuqiuqushezhibutongdeyouxianjierjuedingxiangguandexianshifangan（即光源和光學方案）。

艾邁斯歐司朗作為全球光學方案領導者旗下有多種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、轉換綠光LED-LCG H9RM。在導光柱方案中
，提供將RGB三顆芯片集成在一個封裝裏麵，再搭配導光柱實現照明場景的LED-LE RTB N7WM。

在AR中zhong，分fen色se鏡jing和he導dao光guang柱zhu都dou是shi常chang用yong的de合he光guang方fang案an。一yi般ban來lai講jiang，分fen色se鏡jing方fang案an可ke以yi收shou取qu更geng多duo的de光guang能neng量liang，因yin此ci擁yong有you更geng好hao的de顏yan色se均jun一yi度du
，能neng夠gou實shi現xian更geng高gao的de顯xian示shi亮liang度du。但dan分fen色se鏡jing方fang案an需xu要yao較jiao多duo的de光guang學xue器qi件jian，這zhe會hui導dao致zhi光guang機ji的de尺chi寸cun較jiao大da，同tong時shi對dui於yu組zu裝zhuang精jing度du也ye有you嚴yan苛ke的de要yao求qiu。而er導dao光guang柱zhu方fang案an則ze不bu需xu要yao很hen多duo的de分fen光guang鏡jing，因yin此ci組zu裝zhuang精jing度du較jiao低di、光機的尺寸也相對較小，但由於排布的關係，顯示器可以利用到的LED光能量較低，同時由於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。相比於原本的“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麵相對於封裝表麵的距離（從原來的0.44mm降到0.15mm），意味著光學離芯片更近

，實現收光更容易、顏色更均勻。

那麼該方案可實現什麼樣的顯示亮度呢？

以基於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

，經過前端光學係統後，可以輸出10%到20%
，也就是說在到達光波導鏡片之前會維持5到10lm的光通量。匹配不同的光波導類型

，可以實現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），這相比傳統的LED+分色鏡方案的5-10cc的光機體積，在尺寸和重量方麵都有了大幅度降低。盡管如此，對於普通消費AR來說，這樣的體積依舊不是理想的狀態


，尺寸需要進一步縮減。由此，艾邁斯歐司朗開發了一款適用於激光束掃描（LBS）技術的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，這對於普通消費類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
、光束整形光學以及scanning mirror(s)。其原理是RGB三色的激光從激光模組發出後，經由光學元件準直以及合束以後到達MEMS mirror
，再經由MEMS mirror反射出來，耦合進入光波導。光波導就像一般眼鏡的鏡片一樣

，影像會在光波導裏麵傳遞，然後最終投射到使用者的眼睛。

LBS技術本身並不是全新的顯示技術，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，而基於艾邁斯歐司朗推出的三合一RGB激光器（VEGALAS™ RGB）設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(tie)片(pian)。並(bing)且(qie)使(shi)用(yong)了(le)氣(qi)密(mi)性(xing)的(de)封(feng)裝(zhuang)設(she)計(ji)，可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)特(te)別(bie)是(shi)藍(lan)光(guang)激(ji)光(guang)器(qi)免(mian)受(shou)外(wai)接(jie)環(huan)境(jing)影(ying)響(xiang)從(cong)而(er)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)了(le)可(ke)靠(kao)性(xing)。需(xu)要(yao)強(qiang)調(tiao)的(de)一(yi)點(dian)是(shi)，由(you)於(yu)這(zhe)顆(ke)激(ji)光(guang)器(qi)還(hai)沒(mei)有(you)集(ji)成(cheng)光(guang)束(shu)整(zheng)形(xing)光(guang)學(xue)，所(suo)以(yi)光(guang)束(shu)準(zhun)直(zhi)和(he)合(he)束(shu)需(xu)要(yao)在(zai)封(feng)裝(zhuang)外(wai)實(shi)現(xian)。

基於VEGALAS™ RGB的光機顯示亮度和激光器功率的是如何對應的呢
？艾邁斯歐司朗做了這樣一個簡單的估算。以設置1500nits的目標入眼亮度為例，光波導的轉換率大約是150nits/lm，因此在進入到光波導之前，光通量需要10lm左右。激光器經過光學器件的整形和合束
，一般可實現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
，然後依據每個芯片目前所能實現的電光轉換效率來計算，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，這個就是前麵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水平。除了目前正在開發的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(ju)例(li)來(lai)說(shuo)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)在(zai)綠(lv)光(guang)激(ji)光(guang)器(qi)一(yi)個(ge)發(fa)射(she)點(dian)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，做(zuo)出(chu)多(duo)個(ge)發(fa)射(she)點(dian)，從(cong)而(er)得(de)到(dao)擁(yong)有(you)更(geng)高(gao)更(geng)密(mi)集(ji)的(de)掃(sao)描(miao)點(dian)像(xiang)素(su)，這(zhe)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)提(ti)升(sheng)整(zheng)個(ge)顯(xian)示(shi)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)均(jun)勻(yun)性(xing)。但(dan)目(mu)前(qian)來(lai)說(shuo)
，多(duo)光(guang)速(su)掃(sao)描(miao)技(ji)術(shu)實(shi)現(xian)相(xiang)對(dui)困(kun)難(nan)，若(ruo)想(xiang)真(zhen)正(zheng)商(shang)業(ye)化(hua)還(hai)有(you)較(jiao)長(chang)的(de)路(lu)要(yao)走(zou)。不(bu)過(guo)對(dui)此(ci)艾(ai)邁(mai)斯(si)歐(ou)司(si)朗(lang)已(yi)經(jing)做(zuo)好(hao)充(chong)分(fen)的(de)準(zhun)備(bei)，致(zhi)力(li)於(yu)為(wei)消(xiao)費(fei)者(zhe)在(zai)虛(xu)擬(ni)與(yu)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)帶(dai)來(lai)“包羅萬象”的視覺體驗。

來源：艾邁斯歐司朗係統方案工程經理 孫文軒

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