标签: 多光束扫描

毫无疑问，自去年以来元宇宙概念的火爆，让其主要的硬件载体AR/VR设备成为近两年科技创新的重要领域之一 。 1992年，Neal Stephenson在科幻小说《Snow Crash（雪崩）》中提出“元宇宙”时，可能无法预料近30年后整个产业界刮起了一阵势头强劲的“元宇宙风”。书中现实人类通过 各自“化身”（avatar）相互交往、 共同生活在虚拟空间的情节设定也为大众勾勒了元宇宙世界的基本轮廓。 作为元宇宙的重要硬件载体，AR/VR设备乘风而上。在和艾迈斯欧司朗系统方案工程经理孙文轩沟通时，他表示，“AR聚焦现实与虚拟世界的交互和感知，伴随着近两年消费级AR眼镜轻量化、便携化的不断演进席卷了整个消费领域的关注。” 1 、 AR设备市场，一分为二 如果要将AR设备的市场进行划分，那便又是一个二分天下：一部分是针对普通消费者的AR眼镜，另一部分是面向工业/企业用户的AR眼镜以及AR头戴/头盔式设备。 然而，不同用户群体对AR设备的需求截然不同：普通消费者追求“舒适为王”，工业/企业用户则认为“功能优先”。 差别在哪里？ 普通消费者通常会要求AR眼镜如普通眼镜一般，有着类似的外观和手感，特别是重量和尺寸要相当。此外，还有较长的待机时间（这就要求AR眼镜高效节能）以及无线束束缚，总结一句就是在使用的过程中除了交互带来的便利，不想有其他负累。 而对工业/企业用户来说，他们将AR设备的功能性排在首位，对于外观等则没有太多要求，只要符合人体工学、佩戴舒适即可。在某些特殊的场景下，工业/企业用户甚至可以接收头戴式或者头盔式的AR设备。 抛开上述面向不同用户以及不同应用场景的需求差异，AR显示本身就是一个“重需求”功能。 和VR仅一字之差，但相比于专注沉浸式虚拟世界的VR来说，聚焦现实与虚拟世界交互和感知的AR使得用户在使用AR设备时，人眼需要同时接收真实和虚拟信息两种光线，这也造就2个行业大相径庭的技术原理。 据孙文轩介绍，就AR显示可以列出不下10个主要应用要求，除了通用显示领域追求的亮度、色域等，如果考虑眼镜的特殊形态还会增加其他更具挑战的技术要去，例如尺寸、重量、眼动范围以及视野角等。同时，各项要求之间还相互作用，紧密关联。 据析，若以微软的HoloLens成本拆分为例，其光学显示成本，即光机模组占比接近50%，是AR硬件的核心器件。 2 、 成本占比近半的光机模组 当前，市面主流的AR眼镜显示技术主要分为3大块： 一、 被动式的微显示技术 ，包括传统的 LCD 以及现在 AR 眼镜市场上较为主流的DLP或者LCoS显示技术，搭配RGB的LED或者激光器作为光源。 对DLP/LCoS + LED来说，技术已经非常成熟，同时也具有高亮度、高色域的优点，但光机体积相对较大，同时光展量有限； 而DLP/LCoS + 激光的方案，除了具备和LED方案相同的优点外，它的光机体积会比LED方案更小，此外，由于激光单色性导致的干涉效应也会影响其图像质量。 二、 主动式的微显示技术 ，则包含在VR上已经普遍采用的Micro OLED技术，以及众所期待的Micro LED技术。 由于VR硬件使用时特殊的封闭式环境使得它不用考虑和真实环境的融合，因此目前 Micro OLED多用于VR设备， 但它的亮度对于AR这样需要在阳光下使用的场景仍是不够。 Micro LED一直被视为直通未来的显示方案，优势非常明显，系统简单、高效率、高亮度、高色域、高对比度、也容易扩展，当前市场上已经有看到单色的Micro LED投入应用，但就目前来看Micro LED的量产成熟性还不高，特别是RGB的集成难度非常大。 “从我们所看到的实际情况来说，如果真正将RGB三种芯片都集成在同一个panel实现 Micro LED的显示，需要走的路还非常长。” 三、近两年伴随HoloLens 2兴起的 扫描显示技术 ，这部分主要是以LBS（Laser Beam Scanning）的方案为主。 LBS的方案需要以RGB激光器作为光源，它也拥有体积小、效率高、高色域和高对比度、容易扩展的优点，但它的难点在于光机系统会相对复杂，特别是在光学和电子方面（尤其是相关的驱动）。 此外，激光的干涉所导致的散斑效应使得它的图像质量也有待提升，同时由于使用激光光源，目前在这一领域人眼安全的规范还不那么明确。 结合之前所提AR显示需要满足的各类应用要求，就目前的AR显示技术方案来说，可见各有优劣， 并没有一个万能的解决方案 。因此，权衡必不可少，在实际项目中通常需要基于需求设置优先级，进而选择最终的显示方案。 3 、 微显示系统中LED方案的演进 “如果是做AR光机领域的厂商，相信对艾迈斯欧司朗会非常熟悉，因为我们有好几款LED对应提供光源方案。” 以 双通道分色镜 方案为例，会同时包含一颗红蓝集成二合一的LED，以及一个绿光LED，而这套双通道方案已经在很多AR设备光机上应用。 而集成RGB三颗芯片的三合一LED方案搭配 导光柱 同样可以实现照明场景。 相比较而言，利用分色镜方案，微显示器可以接收更多光能量，因而具有较好的颜色均一度和更高的显示亮度，但缺点也显而易见，这套方案需要更多光学器件，这不仅会造成光机的尺寸较大，也会对组装的精度提出高要求。 至于导光柱方案，很明显的优势就是不需要较多的分色镜，组装精度要求也较低，因此光机尺寸小，成本相对较低。但由于RGB芯片排布的关系，微显示器可以利用到的光能量较低，同时会造成较差的颜色均一度。 “正是基于现有方案，我们也在不断开发一些新型的LED方案，比如 MOSAIC 。” 上图右侧给出了2种不同的MOSAIC LED，田字型排列的RGGB 4颗芯片方案以及RRGGBB 6芯片方案，相对于原本的三合一LED： 首先，是颜色均一度的有效提升； 其次，进一步减小RGB芯片表面相对封装表面的的距离，例如从原来的0.44mm降到现在的0.15mm，距离的减小也直接带来收光更容易的效果。 4、 加速消费级AR眼镜落地的小尺寸激光方案 那之前提到的LBS激光束扫描成像又是如何实现的？ 简单来说需要3大基本要素：1. RGB的三色激光器，用以实现显示的色彩；2. 光束整形的光学，用以对激光器的光束做准直、做合束，3. MEMS扫描镜则用来实现最终成像图像中每一个点的像素情况。 在这套方案中，如果使用艾迈斯欧司朗新开发的 VEGALAS TM RGB三合一激光模组 （如下图所示）可以将整个光机尺寸缩小到0.7个cc（cc，即立方厘米），而之前TO封装的激光器的光机尺寸大概是在1.7个cc。 VEGALAS TM RGB激光模组方案将极大助力消费级AR眼镜的普及，因为就普通消费者而言，在众多技术参数要求中，AR眼镜的尺寸、重量和美观这部分需求的优先级最高。 据悉，如果就尺寸角度而言对各种光机方案进行比较，也可以清晰看出 VEGALAS TM RGB激光模组方案的优势。 若使用DLP/LCoS + LED的双通道分色镜方案，那目前可以实现的光机体积大致为5~10cc； 如果使用新型的MOSAIC LED搭配DLP/LCoS的导光柱方案，光机体积会缩小到3~5cc，虽然光机尺寸极大缩小了，但是对于消费级AR眼镜来说，这个体积仍较大； 而基于SMD贴片封装的 VEGALAS TM RGB激光模组方案，就有机会把整个光机尺寸缩小到1cc以内，甚至是在0.7cc左右。众所周知，光机体积的缩小将极大促进AR显示应用，特别是消费级AR眼镜。 5、 仍有一段路要走 当然，就VEGALAS TM RGB激光模组的方案而言，目前的设计还未能集成光束整形在其中，所以不论是光束的整形或者合束都需要在这颗模组的外部去实现。 需要做的还有很多。 事实上，尽管Micro LED一直被视为未来显示的终极方案，但这条路目前道阻且艰。那我们还有什么其他路径去帮助AR眼镜做得更小更轻薄吗？ 多光束扫描MBS 就是其中之一，简单来说，MBS方案就是在当前的单色激光器（比如绿光激光器）基础上，从一个发射点增加到多个发射点，从而实现更密集的扫描点像素，有效提高整个显示的分辨率和均匀性。 “这个技术的开发同样困难重重，目前我们还在内部研发当中，但我想说的是，在等待Micro LED成熟的过程中，科技从不会止步于此，我们想做和能做的还有很多。”