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LCoS光源選型終極指南：LED與激光的對決

液晶顯示器AR眼鏡

LCoS光源選型終極指南：LED與激光的對決

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LCoS光源選型終極指南：LED與激光的對決

本文討論了AR眼鏡中LCoS照明光源的選擇和LCoS照明光路的設計準則 ， 討論了使用LED或者激光作為照明光源的差異性 。
LCoS（Liquid-Crystal-on-Silicon）的全稱為硅基液晶 ， 也就是在硅基底上鋪液晶對光進行調制 ， 可以看出其與LCD（Liquid-Crystal-Display）同源 ， 都是利用液晶對光的偏振態進行調制 ， 然后利用偏振片達到調制光的強度或相位的目的 。 下面為液晶改變光的偏振態的原理：液晶具有雙折射的性質 ， 也就是存在快慢軸 ， 液晶在快慢軸偏振方向的折射率不一致 ， 經過液晶層之后 ， 快慢軸方向就存在相位差 ， 導致光線偏振態發生變化 ， 使得光線強度或者相位的變化 。

雖然LCoS與LCD都是利用液晶調制 ， 但是LCoS相對于LCD具有較大的優勢如高能量利用率、高分辨率、高對比度、色彩豐富、自然3D圖像的生成等 。 綜合以上的優勢 ， LCoS可應用于高端的投影設備 ， 如需要高亮度、高對比度 ， AR/VR頭顯 ， 需要小尺寸、高分辨率的場景 。
在AR眼鏡行業 ， 顯示源可以分為以下幾種LCoS、DLP、OLED、Micro LED、LBS等 。 其中LCoS憑借技術成熟、成本低等優勢成為當前行業較為主流的選擇 。 多家采用LCoS顯示源+光波導的技術路線（如Meta的Ray-Ban display采用了LCoS作為顯示源（3顆LED作為LCoS的照明模組的光源） ， 利用幾何光波導將顯示源的圖像傳播到EyeBox位置進行耦出） ， 其中光波導的技術又可以分為幾何光波導和衍射光波導（衍射元件的耦入耦出元件可以分為表面浮雕光柵、體全息光柵、偏振光柵、超表面等） ， 其中表面浮雕光柵、體全息光柵被廣泛使用在現有的AR眼鏡中（如HoloLens、Magic Leap、WaveOptics、Dispelix、DigiLens） ， 偏振光柵、超表面為當前的研究熱點 ， 暫未大規模商用 。 若選擇LCoS作為顯示源 ， 由于其不能自發光 ， 需要外加照明模組對LCoS進行照明發光 ， 以下為LCoS照明模組的光路示意圖：

光源發出的光線需要經過TIR透鏡（或者反光杯）收光 ， 收集大角度光線的能量（提高能量利用率） ， 然后經過微透鏡陣列（積分透鏡）的勻光 ， 經過中繼透鏡到達PBS膜（透P反射S光） ， 最后打到LCoS上 ， 照亮LCoS ， 作為LCoS的照明顯示源 。 除了使用TIR+微透鏡陣列勻光的方式 ， 一些方案采用勻光棒的方案進行勻光 ， 可達到的均勻光較高 ， 但是對橫縱比要求 ， 一般要求至少在勻光棒內發生3次TIR反射 ， 導致其結構體積較大 ， 所以多采用TIR透鏡對光源發出光線準直的比較多 。
當前LCoS顯示源的照明模組主要分為LED光源與激光光源兩種 ， 其中LED光源方案相對成熟可靠 ， 具有成本低、功耗低等優勢 ， 但是由于LED光源為半球面內發光（發光全角度為180°） ， 導致其亮度不足 ， 不適用于強光場景使用 。 激光光源作為新一代的LCoS光源 ， 存在許多的優勢如光束方向性強、單色性好、亮度高等優勢 ， 但是成本較高、功耗高、散熱問題突出 ， 同時激光的相干性易產生散斑、摩爾紋 ， 需要外加光學件消除 ， 進一步增加成本 。 下面從照明模塊的光學設計的角度出發來比較LED與激光作為光源的優劣 。
光學設計角度對比LED與激光光源一般來說 ， 光源光展量越小 ， 就越便于對光源發出的光束進行操控 ， 實現準直或者勻光照明的目的 ， 以下給出LED與激光的發光角度分布圖 ， 其中激光的發光角度較小 ， LED為半個球面內發光 ，


這里給出光展量的計算公式如下 ，

從公式來看 ， 在發光面積一致的情況下 ， 激光光源的發光角度小 ， 則其光展量小 ， 僅需少量準直光學元件即可對激光發出光束進行整形或者勻光設計 ， 利于光機系統的輕量化設計 。
對于半球面內發光的LED光源來說 ， 若需要收集其發出的所有角度光線 ， 則只有使用TIR透鏡 ， 根據光展量守恒（光學系統第一個面發出的光展量等于系統最后一個面接收的光展量） ， 若需要收光性能越好 ， 則TIR透鏡的半徑越大 ， 導致光學模組的體積越大 ， 并且大角度光線如果耦合進波導之后 ， 很有可能變成雜散光 ， 干擾正常圖像的顯示 ， 如下為TIR透鏡半徑對收光角度影響的對比：


對于小角度發光的激光光源來說 ， 則可以使用凸透鏡對光線進行準直（無需使用180度收光的TIR透鏡） 。 從數學角度上來看 ， 激光光源的準直效果會比較好 ， 因為激光光源發出的光線與準直透鏡的夾角較小 ， 近似為線性共軸光學 ， 準直效果好 ， 同時小角度帶來的菲涅爾損耗也較小 ， 能量利用率進一步提高 。 凸透鏡小的收光半徑可減小光學系統的體積和重量 ， 如下 ，

對光源收光模塊來說 ， 激光相對于LED的優勢明顯 ， 其經過收光之后的角度較小 ， 能量利用率高 ， 更容易耦合進入波導 ， 并且產生大角度雜散光的風險也較小 。
從中繼透鏡的設計來說 ， 因為激光光源收束之后的角度小于LED光源 ， 也就是說其孔徑NA小于LED光源 ， 導致其光線在中繼透鏡上的夾角較小 ， 更加近似于近軸高斯光學 ， 有利于后續中繼透鏡的設計 ， 如下 ，

從后續投影鏡頭的設計來說 ， LCoS照明模塊接收到的光展量大于或等于LCoS投影模塊發出的光展量 ， 確保投影模塊所用到的光線錐內均有光線 ， 如下所示 ，
【LCoS光源選型終極指南：LED與激光的對決】
激光光源的發散角較小 ， 根據光展量守恒原理 ， 則其在LCoS上照明模塊所產生的光錐也較小 ， 便于提高照明模塊的能量利用率（照明模塊光展量只需要稍微大于投影模塊的光展量 ， 能量利用率較高） 。 因為激光為偏振光源 ， LED為非偏振光源 ， 在理想情況下 ， 激光光線可以完全被PBS膜反射 ， LED發出能量的一半被PBS反射（另一半透射 ， 無效） ， 所以激光光源相對于LED光源能量的利用率較高 。
畫面生成質量角度對比LED與激光光源從畫面生成質量上來看 ， LCoS的開口率較大 ， 十分適合用高功率密度的激光光源照射到LCOS 芯片的有效顯示區域 ， 顯著提高LCoS的亮度 ， 輕松實現AR眼鏡畫面的高亮度輸出 。 同時RGB三色激光可以覆蓋超廣色域 ， 高于LED的色域（LED寬譜線導致色彩飽和度不佳） ， 實現彩色圖像高飽和度顯示 。
總結雖然激光光源擁有以上的優勢 ， 但是仍然存在以下的一些劣勢 ， 阻礙其大規模應用 ， 如因為激光為相干光源 ， 導致激光照射到 LCOS 芯片表面時 ， 反射光會發生干涉 ， 在畫面上形成隨機分布的 “顆粒狀斑點” ， 也稱散斑噪聲（目前業界有使用旋轉Diffuser消除散斑噪聲的方法提出） 。 散斑噪聲見下圖a） ， b）為消除散斑噪聲 。 同時激光的能量密度極高 ， LCOS 芯片本身也會產生熱量 ， 二者疊加對散熱系統提出了遠超 LED光源的要求 。 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 。
最后激光光源的成本相對于LED來說 ， 仍然較高 ， 其價格是LED光源的數倍之多 ， 影響激光光源的普及 。
若能解決以上的問題 ， 激光的相對于LED光源的優勢比較明顯 ， 不管是從光學設計、圖像畫面顯示的質量、還是光學系統輕量化的角度來看 ， 激光光源都是一個更優的選項 。

從設計的角度來看 ， 激光作為光源的照明系統設計質量比LED作為光源的高 ， 其顏色的顯示性也更好 ， 更加契合AR眼鏡未來的發展 ， 但是需要進一步地降低激光光源的成本與解決散斑等噪聲所帶來的成本上升 。 總體來看 ， 我們推薦室內使用場景較多、對亮度要求低的AR眼鏡 ， 使用LED光源 。 室外使用場景較多 ， 對亮度要求高或者對顏色還原度較高的使用場景 ， 使用激光光源 ， 其高功率密度產生的高亮度對抗外界的環境光影響 ， 同時其三色激光可以較好地還原色彩真實度 ， 疊加其光束的強方向性 ， 減少內部雜散光的干擾 ， 更適合室外場景的使用 。

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