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AR眼鏡光學方案揭秘：激光光源憑什么成為LCOS的最佳搭檔？

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AR眼鏡光學方案揭秘：激光光源憑什么成為LCOS的最佳搭檔？

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AR眼鏡光學方案揭秘：激光光源憑什么成為LCOS的最佳搭檔？

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作者：劉力銘
介紹：新南威爾士大學 ， 微納光學博士 。
AR眼鏡 ， 作為下一代顯示平臺和計算平臺 ， 以及AI入口 ， 是最有可能取代手機的形態 。
在AR眼鏡中 ， 顯示是最核心 ， 以及最具有創新性和想象力的模組 。
整個AR顯示模組 ， 包含兩大部分：具有微顯示屏的光機 ， 以及光學融合鏡片 。 光學鏡片經過20多年的迭代 ， 路線已經比較收斂 ， 主要以波導形態為主 。 光機層面 ， 基于LCOS和MicroLED的顯示技術 ， 是行業主流的方案 。
從發光原理和光學架構來看 ， MicroLED是自發光、無機材料體系 ， 具有高亮度、高對比度、高壽命、光路簡單等優勢 ， 這讓它成為了大家心目中的“終極方案” 。 但MicroLED的量產難度卻非常大 ， 尤其是全彩的MicroLED光機 ， 量產挑戰巨大 。 通過X-cube棱鏡合光方案 ， 對準精度需要達到像素級 ， 甚至亞像素級 ， 這對工藝和良率都是巨大挑戰 。 而單片三色MicroLED方案 ， 距離量產就更遠 。

圖片：LED工作原理 ， 以及實現全彩Micro-LED的幾種方式 ， 其中(e)采用的合色棱鏡是當前主流方式 ， (f)單片集成三色還處于早期研發階段 。

圖片：拆機顯示Meta Ray-Ban Display AR眼鏡采用了LCOS光機 。
正因如此 ， Meta在9月份發布的AR眼鏡 ， 還是選擇了更加成熟穩妥的LCOS光機路線 。 基于LCOS的全彩光機在當前以及可見未來 ， 仍是最成熟、最具可實現性的選擇 。
而且 ， LCOS本身也在不斷迭代 ， 其中最重要的突破方向之一 ， 就是將傳統LED光源替換為三色激光光源 。

圖片：激光光源用于LCOS ， 以及常規幾何光學元件光路示意圖 。
理論上 ， 激光光源與LCOS搭配 ， 是天然的絕配 。
我們先從光源側展開 ， 再從圖像調制側展開 。
激光 ， 相對于普通的光 ， 比如LED ， 物理本質的差異主要有光譜帶寬、偏振、相干性 。
而圍繞這三個特性 ， 在光學顯示性能方面 ， 直接與亮度、色域、功耗和體積等顯性指標密切相關 。
首先 ， 我們先從這三個基本性質了解激光 。
光 ， 其實是電磁波 ， 只不過位于可見光波段 ， 與微波爐用的微波 ， 沒有物理本質區別 。
光作為電磁波 ， 并不是一個單獨的波長 ， 而是有一個光譜帶寬 。
LED的帶寬比較寬 ， 通常在~30 nm ， 比如綠光LED ， 其典型的發光光譜大致在520 nm±15 nm的范圍 。 而激光的帶寬就非常窄 ， 可以達到~2nm ， 有的甚至可達到0.1 nm以內 。

圖片：激光光源和LED發射光譜對比 。
偏振 ， 是指電磁波的電場指向 。 簡單理解 ， 電磁場是一個矢量 ， 具有大小和方向 。
而偏振 ， 就是電場的方向 。 電場方向垂直于入射面 ， 叫S光；平行于入射面 ， 叫P光 。
這就是大家經常聽到的S和P光 。 LED的偏振是隨機分布 ， 而激光的偏振態 ， 是有固定取向的 ， 比如TE、TM模式 ， 可以對應于S或者P偏振 。
相干性 ， 則是指在時間和空間上保持與原來光源一致的特性 。
比如空間相干性 ， 是指經過相當長的傳輸距離 ， 光源的偏振態等特性還能保持一致 。
這種相干性 ， 在很多場景非常重要 ， 比如通過分光 ， 不同路徑最終還可以進行相干疊加 ， 產生明暗相間的干涉條紋 。 對于很多高精密的測量系統 ， 就需要具有高度相干性的激光作為測量光源 ， 這就是干涉儀 。 比如 ， 在EUV的測量系統里 ， 就需要用這種方式實現納米甚至皮米級的測量精度 。
如果用一句話來總結激光與其他光源的差異 ， 就是：激光非常“一致” ， 非常“聚焦” 。
激光里面的所有光都是步調一致 ， 頻率一致 ， 電場方向一致 ， 對應上面的窄帶寬與固定偏振 。 相干性 ， 就是在時間和空間的維度 ， 還能保持一致的特性 。
激光的“一致”和“聚焦” ， 帶來最大的效應 ， 就是在很小的空間 ， 具有很高的能量密度 。
正如很多成功學都說 ， 要像激光一樣聚焦 。
這也是為什么激光會是一種戰略武器 。 在大能量應用場景 ， 有激光武器、激光切割、甚至核聚變點火裝置；在中小能量應用場景 ， 有光通信、激光雷達 ， 以及激光顯示 。
正是這些物理本質的特性 ， 當激光用于顯示 ， 相對于其他光源 ， 有非常特別的優勢 。
其次 ， 在顯示層面 ， 激光光源的優勢也是非常明顯的 。
激光光源的發光面積小、發散角小、耦合效率高、準直損耗低；而LED則存在寬帶譜、非偏振、高發散等限制 ， 使得有效利用率低得多 。 基于激光光源的系統 ， 通常比LED系統獲得的亮度更高 。
在實際光引擎中 ， 激光光源的出射亮度可達1000–2000 cd/mm2 ， 甚至更高；
而LED光源通常在幾十到數百 cd/mm2的量級 。 這一數量級的差異 ， 使得激光在同等體積內可實現更高的系統亮度 。
在2C家用投影儀里 ， 這兩者的性能差異 ， 市場已經給出了答案：
低端LED投影儀亮度通常在500–800 ANSI流明；
中端混合光源可達1000–2000 ANSI流明；
而高端三激光投影則輕松突破3000 ANSI流明 。
高端的投影 ， 比如很多電影院 ， 主要是激光光源 ， 調制器件有基于DLP和LCOS芯片的兩種方案 。 隨著豪威集團、華為海思進入LCOS芯片領域 ， 德州儀器TI主導的DLP芯片市場 ， 可能會逐漸被LCOS侵蝕 。
最后 ， 激光光源 ， 除了了天然的亮度優勢 ， 還有寬色域的優勢 。
激光的光譜帶寬很窄 ， 這意味著顏色更加純凈 ， 通過RGB三色合光 ， 能夠覆蓋更加寬廣的色域 。 例如激光顯示覆蓋的色域接近甚至超過BT.2020標準（>90%） ， 而普通LCD通常只能覆蓋sRGB或部分P3 。
簡單來講 ， BT.2020類似一個大色盤 ， LCD的顯示顏色范圍只能覆蓋~70% ， 而激光能達到90%以上 ， 甚至100%全覆蓋 。 這也是為什么高端影院主要采用激光投影 。

圖片：激光色域覆蓋>90%以上Rec.2020（超高清電視國際標準） 。
當然 ， 從AR顯示現階段的需求來看 ， 亮度的重要性要高過色域的寬廣度 。
寬廣的色域 ， 主要是在觀影類場景中更為重要 。
要顯示圖像 ， 除了光源 ， 還需要有產生圖像的調制器 。 調制器簡單來講 ， 就是非常微小的像素開關陣列 。 通過百萬個像素開關的開和關 ， 就可以拼成圖像 ， 而圖像的連續運動 ， 就是視頻 。
MicroLED顯示的調制器 ， 是每個MicroLED燈背后的CMOS驅動 。 例如Meta眼鏡的像素是600×600 ， 用MicroLED就需要有36萬個像素發光 ， CMOS驅動就是在控制哪些燈亮、哪些燈暗 。 MicroLED屏幕的生產 ， 簡單來講 ， 先是一個燈（MicroLED）一個燈單獨生長 ， 然后巨量轉移、規整放置在一起 。
每個燈的尺寸大約在幾微米級 ， 要把幾十萬甚至上百萬顆燈高效率、高一致性、高可靠性地嚴格對準(比如幾百納米的對準精度)地放在一起 ， 非常具有挑戰性 。
這也是MicroLED一直存在的量產挑戰 。
這還只是一塊單色屏幕 。

圖片：Micro-LED巨量轉移示意圖 。
要做成彩色 ， 就需要三塊這樣的屏幕合起來 ， 并且對準 ， 難度成倍增加 。
而LCOS投影 ， 則是一個大光源（三色LED或三色激光合光） ， 通過LCOS上的液晶分子進行明暗調控 。 雖然兩者都是調制 ， 但本質差異非常大 。
LCOS的像素 ， 是通過CMOS工藝制成像素電極 ， 去單獨控制每一個液晶像素分子層 。 通過施加不同電壓 ， 使液晶分子有不同取向 。 液晶取向不同 ， 會讓光的透過率從0到100%調節 。 0就是全暗 ， 100%就是全亮 ， 中間就是灰階 。 由于這些像素電極是一體式半導體工藝完成的 ， 并不需要像MicroLED那樣先生長再轉移 ， LCOS全彩量產難度低很多 。
LCOS實現全彩的方式 ， 是用三顆RGB顏色的LED燈或激光作為照明 。
其中關鍵有兩部分：LCOS負責光的偏振調制 ， PBS（偏振分束器）負責偏振光的篩選 。
液晶對光的調制是通過偏振實現的 。 通常入射光是S光 ， 通過PBS反射到LCOS面板 。
面板對不同區域施加不同電壓后 ， S光會轉變為P光 。 如果不施加電壓 ， S光保持不變；
如果施加滿電壓 ， S光完全轉為P光 。 PBS具有高度的偏振選擇性 ， 反射S光 ， 透過P光 。 這樣 ， 經過調制的光（圖像）就會通過PBS進入投影光路 ， 從而輸出圖像 。
通過不同角度的液晶分子旋轉 ， 可以控制不同偏振成分 ， 實現能量輸出和灰度調制 。

圖片：LCOS液晶分子偏振轉換 。
關鍵在于偏振控制 。
由于LED光本身沒有特定偏振態 ， 所以需要在入射端加偏振片 ， 這會直接損失一半能量 。 而使用激光光源 ， 其出射偏振態可在激光器端控制 ， 使能量利用率更高 。
從光學設計角度來看 ， 激光還有一個很重要的特性：準直性好 ， 也就是發散角小 。
光學系統的重要作用 ， 就是對光的角度和形態進行控制 。 發出去的光 ， 像潑出去的水一樣 ， 總是傾向于發散 。 激光的發散角可以小于1° ， 而LED發散角通常達到幾十度 。
大的發散角需要更大的光學元件和系統尺寸去控制 。 所以激光的小發散角意味著所需的光學準直投影系統更小 ， 能量集中度更高 ， 雜散光更容易控制 ， 最終體現為更高的圖像對比度 。
從上面的分析可以看出 ， 激光的“一致”和“聚焦”特性 ， 帶來了更高亮度、更純更寬廣的顏色、更高的對比度 ， 以及更緊湊的光學系統 。
那激光這么好 ， 是不是就沒有缺點呢？任何技術都有自己的短板 ， 激光也不例外 。
激光顯示系統中最重要的問題 ， 就是散斑 。
散斑的存在 ， 正是因為激光太過“一致” 。 激光具有很強的相干性 ， 而任何表面都不是完美光滑 。 激光經過這些粗糙的微表面 ， 在投影面相干疊加后 ， 就會產生亮度不一致的散斑 。 相干疊加就像雙縫干涉 ， 會產生明暗相間的條紋 。
散斑很難徹底消除 ， 因為這是激光的物理本質所致 。 這成為制約激光+ LCOS 方案普及的關鍵挑戰 。 而這一痛點 ， 正是半導體激光光源領先企業光峰科技（688007.SH）的核心技術優勢所在 ， 光峰科技深耕半導體激光光源技術十多年 ， 對于消除激光散斑早已是行業NO.1的存在 。 從光學同行得知 ， 光峰科技還在高功率半導體激光器方面取得重大突破 ， 可以針對AR眼鏡的特定需求 ， 對激光器實現針對不同功率的批量定制 ， 這將是極大的競爭優勢 。
另外 ， 在AR顯示中 ， 對散斑的容忍度相對更高 。 因為AR顯示的真實應用場景 ， 并不是為了觀看電影 ， 而是與現實融合顯示 。 我們不需要完整顯示整個畫面 ， 只需要在關鍵區域疊加關鍵信息即可 。
在消費級投影儀市場 ， 三激光+LCOS方案主要應用于高端市場 ， 并已開始向中端市場滲透 。 在微投影的AR眼鏡中 ， 激光+LCOS ， 理應成為一條極具競爭力的重要技術路徑 。
作為ARVR行業的帶頭大哥 ， Meta ， 通過一篇Nature論文 ， 已經向大家展示了下下一代的近眼顯示方案 。
那就是LCOS + 激光光源 + 光子器件 。
這里的光子器件 ， 就是用平面的集成光路 ， 去替代自由空間的光路 。

圖片：Meta Nature論文 ， 激光LCOS顯示架構 ， 用PIC替換傳統光路 。
而這個方案的底層 ， 還是激光光源 ， 加LCOS 。
【AR眼鏡光學方案揭秘：激光光源憑什么成為LCOS的最佳搭檔？】因為這二者從理論上就是天生絕配 。

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