深度解析 | AR眼鏡顯示，為何激光與LCOS是“天生絕配”？

文/劉力銘（新南威爾士大學(xué)，微納光學(xué)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(tài)。在AR眼鏡中，顯示是最核心，以及最具有創(chuàng)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(xué)融合鏡片。光學(xué)鏡片經(jīng)過20多年的迭代，路線已經(jīng)比較收斂，主要以波導(dǎo)形態(tài)為主。光機層面，基于LCOS和MicroLED的顯示技術(shù)，是行業(yè)主流的方案。

從發(fā)光原理和光學(xué)架構(gòu)來看，MicroLED是自發(fā)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(yōu)勢，這讓它成為了大家心目中的“終極方案”。但MicroLED的量產(chǎn)難度卻非常大，尤其是全彩的MicroLED光機，量產(chǎn)挑戰(zhàn)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(zhàn)。而單片三色MicroLED方案，距離量產(chǎn)就更遠。

圖片：LED工作原理，以及實現(xiàn)全彩Micro-LED的幾種方式，其中(e)采用的合色棱鏡是當(dāng)前主流方式，(f)單片集成三色還處于早期研發(fā)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(fā)布的AR眼鏡，還是選擇了更加成熟穩(wěn)妥的LCOS光機路線。基于LCOS的全彩光機在當(dāng)前以及可見未來，仍是最成熟、最具可實現(xiàn)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(tǒng)LED光源替換為三色激光光源。理論上，激光光源與LCOS搭配，是天然的絕配。

我們先從光源側(cè)展開，再從圖像調(diào)制側(cè)展開。激光，相對于普通的光，比如LED，物理本質(zhì)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(xué)顯示性能方面，直接與亮度、色域、功耗和體積等顯性指標(biāo)密切相關(guān)。

首先，我們先從這三個基本性質(zhì)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(zhì)區(qū)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(fā)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(nèi)。

圖片：激光光源和LED發(fā)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(jīng)常聽到的S和P光。LED的偏振是隨機分布，而激光的偏振態(tài)，是有固定取向的，比如TE、TM模式，可以對應(yīng)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(jīng)過相當(dāng)長的傳輸距離，光源的偏振態(tài)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(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。

對于很多高精密的測量系統(tǒng)，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(tǒng)里，就需要用這種方式實現(xiàn)納米甚至皮米級的測量精度。

如果用一句話來總結(jié)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(diào)一致，頻率一致，電場方向一致，對應(yīng)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(yīng)，就是在很小的空間，具有很高的能量密度。正如很多成功學(xué)都說，要像激光一樣聚焦。

這也是為什么激光會是一種戰(zhàn)略武器。在大能量應(yīng)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(yīng)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(zhì)的特性，當(dāng)激光用于顯示，相對于其他光源，有非常特別的優(yōu)勢。

其次，在顯示層面，激光光源的優(yōu)勢也是非常明顯的。激光光源的發(fā)光面積小、發(fā)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(fā)散等限制，使得有效利用率低得多。基于激光光源的系統(tǒng)，通常比LED系統(tǒng)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(shù)百 cd/mm2的量級。這一數(shù)量級的差異，使得激光在同等體積內(nèi)可實現(xiàn)更高的系統(tǒng)亮度。

在2C家用投影儀里，這兩者的性能差異，市場已經(jīng)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(diào)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(lǐng)域，德州儀器TI主導(dǎo)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(yōu)勢，還有寬色域的優(yōu)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(biāo)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(biāo)準）。

當(dāng)然，從AR顯示現(xiàn)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(chǎn)生圖像的調(diào)制器。調(diào)制器簡單來講，就是非常微小的像素開關(guān)陣列。通過百萬個像素開關(guān)的開和關(guān)，就可以拼成圖像，而圖像的連續(xù)運動，就是視頻。

MicroLED顯示的調(diào)制器，是每個MicroLED燈背后的CMOS驅(qū)動。例如Meta眼鏡的像素是600×600，用MicroLED就需要有36萬個像素發(fā)光，CMOS驅(qū)動就是在控制哪些燈亮、哪些燈暗。MicroLED屏幕的生產(chǎn)，簡單來講，先是一個燈（MicroLED）一個燈單獨生長，然后巨量轉(zhuǎn)移、規(guī)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(zhàn)性。這也是MicroLED一直存在的量產(chǎn)挑戰(zhàn)。這還只是一塊單色屏幕。

圖片：Micro-LED巨量轉(zhuǎn)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(diào)控。雖然兩者都是調(diào)制，但本質(zhì)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(diào)節(jié)。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(dǎo)體工藝完成的，并不需要像MicroLED那樣先生長再轉(zhuǎn)移，LCOS全彩量產(chǎn)難度低很多。

LCOS實現(xiàn)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(guān)鍵有兩部分：LCOS負責(zé)光的偏振調(diào)制，PBS（偏振分束器）負責(zé)偏振光的篩選。 液晶對光的調(diào)制是通過偏振實現(xiàn)的。通常入射光是S光，通過PBS反射到LCOS面板。

面板對不同區(qū)域施加不同電壓后，S光會轉(zhuǎn)變?yōu)镻光。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(zhuǎn)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(jīng)過調(diào)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(zhuǎn)，可以控制不同偏振成分，實現(xiàn)能量輸出和灰度調(diào)制。

關(guān)鍵在于偏振控制。由于LED光本身沒有特定偏振態(tài)，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(tài)可在激光器端控制，使能量利用率更高。

從光學(xué)設(shè)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(fā)散角小。

光學(xué)系統(tǒng)的重要作用，就是對光的角度和形態(tài)進行控制。發(fā)出去的光，像潑出去的水一樣，總是傾向于發(fā)散。激光的發(fā)散角可以小于1°，而LED發(fā)散角通常達到幾十度。

大的發(fā)散角需要更大的光學(xué)元件和系統(tǒng)尺寸去控制。所以激光的小發(fā)散角意味著所需的光學(xué)準直投影系統(tǒng)更小，能量集中度更高，雜散光更容易控制，最終體現(xiàn)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(xué)系統(tǒng)。

那激光這么好，是不是就沒有缺點呢？任何技術(shù)都有自己的短板，激光也不例外。

激光顯示系統(tǒng)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(jīng)過這些粗糙的微表面，在投影面相干疊加后，就會產(chǎn)生亮度不一致的散斑。相干疊加就像雙縫干涉，會產(chǎn)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(zhì)所致。這成為制約激光+ LCOS 方案普及的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

而這一痛點，已經(jīng)有行業(yè)企業(yè)取得了突破。比如大家應(yīng)該都聽過的光峰科技。激光光源以及相關(guān)的消散斑技術(shù)，是他們的的核心技術(shù)優(yōu)勢所在。光峰科技深耕半導(dǎo)體激光光源技術(shù)十多年，對于消除激光散斑有獨到見解。據(jù)說，光峰科技還在高功率半導(dǎo)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(xiàn)針對不同功率的批量定制，這將是極大的競爭優(yōu)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(yīng)用場景，并不是為了觀看電影，而是與現(xiàn)實融合顯示。我們不需要完整顯示整個畫面，只需要在關(guān)鍵區(qū)域疊加關(guān)鍵信息即可。

在消費級投影儀市場，三激光+LCOS方案主要應(yīng)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(yīng)成為一條極具競爭力的重要技術(shù)路徑。

作為ARVR行業(yè)的帶頭大哥，Meta，通過一篇Nature論文，已經(jīng)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。而這個方案的底層，還是激光光源，加LCOS。因為這二者從理論上就是天生絕配。

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