AR眼镜光学方案揭秘：激光光源凭什么成为LCOS的最佳搭档？

　　作者：刘力铭

　　介绍：新南威尔士大学，微纳光学博士。

　　AR眼镜，作为下一代显示平台和计算平台，以及AI入口，是最有可能取代手机的形态。
在AR眼镜中，显示是最核心，以及最具有创新性和想象力的模组。

　　整个AR显示模组，包含两大部分：具有微显示屏的光机，以及光学融合镜片。光学镜片经过20多年的迭代，路线已经比较收敛，主要以波导形态为主。光机层面，基于LCOS和MicroLED的显示技术，是行业主流的方案。

　　从发光原理和光学架构来看，MicroLED是自发光、无机材料体系，具有高亮度、高对比度、高寿命、光路简单等优势，这让它成为了大家心目中的“终极方案”。但MicroLED的量产难度却非常大，尤其是全彩的MicroLED光机，量产挑战巨大。通过X-cube棱镜合光方案，对准精度需要达到像素级，甚至亚像素级，这对工艺和良率都是巨大挑战。而单片三色MicroLED方案，距离量产就更远。

　　图片：LED工作原理，以及实现全彩Micro-LED的几种方式，其中（e）采用的合色棱镜是当前主流方式，（f）单片集成三色还处于早期研发阶段。

　　图片：拆机显示Meta Ray-Ban Display AR眼镜采用了LCOS光机。

　　正因如此，Meta在9月份发布的AR眼镜，还是选择了更加成熟稳妥的LCOS光机路线。基于LCOS的全彩光机在当前以及可见未来，仍是最成熟、最具可实现性的选择。
而且，LCOS本身也在不断迭代，其中最重要的突破方向之一，就是将传统LED光源替换为三色激光光源。

　　图片：激光光源用于LCOS，以及常规几何光学元件光路示意图。

　　理论上，激光光源与LCOS搭配，是天然的绝配。

　　我们先从光源侧展开，再从图像调制侧展开。

　　激光，相对于普通的光，比如LED，物理本质的差异主要有光谱带宽、偏振、相干性。
而围绕这三个特性，在光学显示性能方面，直接与亮度、色域、功耗和体积等显性指标密切相关。

　　首先，我们先从这三个基本性质了解激光。

　　光，其实是电磁波，只不过位于可见光波段，与微波炉用的微波，没有物理本质区别。
光作为电磁波，并不是一个单独的波长，而是有一个光谱带宽。

　　LED的带宽比较宽，通常在~30 nm，比如绿光LED，其典型的发光光谱大致在520 nm15 nm的范围。而激光的带宽就非常窄，可以达到~2nm，有的甚至可达到0.1 nm以内。

　　图片：激光光源和LED发射光谱对比。

　　偏振，是指电磁波的电场指向。简单理解，电磁场是一个矢量，具有大小和方向。
而偏振，就是电场的方向。电场方向垂直于入射面，叫S光；平行于入射面，叫P光。
这就是大家经常听到的S和P光。LED的偏振是随机分布，而激光的偏振态，是有固定取向的，比如TE、TM模式，可以对应于S或者P偏振。

　　相干性，则是指在时间和空间上保持与原来光源一致的特性。
比如空间相干性，是指经过相当长的传输距离，光源的偏振态等特性还能保持一致。
这种相干性，在很多场景非常重要，比如通过分光，不同路径最终还可以进行相干叠加，产生明暗相间的干涉条纹。对于很多高精密的测量系统，就需要具有高度相干性的激光作为测量光源，这就是干涉仪。比如，在EUV的测量系统里，就需要用这种方式实现纳米甚至皮米级的测量精度。

　　如果用一句话来总结激光与其他光源的差异，就是：激光非常“一致”，非常“聚焦”。
激光里面的所有光都是步调一致，频率一致，电场方向一致，对应上面的窄带宽与固定偏振。相干性，就是在时间和空间的维度，还能保持一致的特性。

　　激光的“一致”和“聚焦”，带来最大的效应，就是在很小的空间，具有很高的能量密度。
正如很多成功学都说，要像激光一样聚焦。

　　这也是为什么激光会是一种战略武器。在大能量应用场景，有激光武器、激光切割、甚至核聚变点火装置；在中小能量应用场景，有光通信、激光雷达，以及激光显示。

　　正是这些物理本质的特性，当激光用于显示，相对于其他光源，有非常特别的优势。

　　其次，在显示层面，激光光源的优势也是非常明显的。

　　激光光源的发光面积小、发散角小、耦合效率高、准直损耗低；而LED则存在宽带谱、非偏振、高发散等限制，使得有效利用率低得多。基于激光光源的系统，通常比LED系统获得的亮度更高。

　　在实际光引擎中，激光光源的出射亮度可达1000–2000 cd/mm，甚至更高；
而LED光源通常在几十到数百 cd/mm的量级。这一数量级的差异，使得激光在同等体积内可实现更高的系统亮度。

　　在2C家用投影仪里，这两者的性能差异，市场已经给出了答案：
低端LED投影仪亮度通常在500–800 ANSI流明；
中端混合光源可达1000–2000 ANSI流明；
而高端三激光投影则轻松突破3000 ANSI流明。

　　高端的投影，比如很多电影院，主要是激光光源，调制器件有基于DLP和LCOS芯片的两种方案。随着、华为海思进入LCOS芯片领域，德州仪器TI主导的DLP芯片市场，可能会逐渐被LCOS侵蚀。

　　最后，激光光源，除了了天然的亮度优势，还有宽色域的优势。

　　激光的光谱带宽很窄，这意味着颜色更加纯净，通过RGB三色合光，能够覆盖更加宽广的色域。例如激光显示覆盖的色域接近甚至超过BT.2020标准（>90%），而普通LCD通常只能覆盖sRGB或部分P3。

　　简单来讲，BT.2020类似一个大色盘，LCD的显示颜色范围只能覆盖~70%，而激光能达到90%以上，甚至100%全覆盖。这也是为什么高端影院主要采用激光投影。

　　图片：激光色域覆盖>90%以上Rec.2020（超高清电视国际标准）。

　　当然，从AR显示现阶段的需求来看，亮度的重要性要高过色域的宽广度。
宽广的色域，主要是在观影类场景中更为重要。

　　要显示图像，除了光源，还需要有产生图像的调制器。调制器简单来讲，就是非常微小的像素开关阵列。通过百万个像素开关的开和关，就可以拼成图像，而图像的连续运动，就是视频。

　　MicroLED显示的调制器，是每个MicroLED灯背后的CMOS驱动。例如Meta眼镜的像素是600600，用MicroLED就需要有36万个像素发光，CMOS驱动就是在控制哪些灯亮、哪些灯暗。MicroLED屏幕的生产，简单来讲，先是一个灯（MicroLED）一个灯单独生长，然后巨量转移、规整放置在一起。

　　每个灯的尺寸大约在几微米级，要把几十万甚至上百万颗灯高效率、高一致性、高可靠性地严格对准（比如几百纳米的对准精度）地放在一起，非常具有挑战性。

　　这也是MicroLED一直存在的量产挑战。
这还只是一块单色屏幕。

　　图片：Micro-LED巨量转移示意图。

　　要做成彩色，就需要三块这样的屏幕合起来，并且对准，难度成倍增加。

　　而LCOS投影，则是一个大光源（三色LED或三色激光合光），通过LCOS上的液晶分子进行明暗调控。虽然两者都是调制，但本质差异非常大。

　　LCOS的像素，是通过CMOS工艺制成像素电极，去单独控制每一个液晶像素分子层。通过施加不同电压，使液晶分子有不同取向。液晶取向不同，会让光的透过率从0到100%调节。0就是全暗，100%就是全亮，中间就是灰阶。由于这些像素电极是一体式半导体工艺完成的，并不需要像MicroLED那样先生长再转移，LCOS全彩量产难度低很多。

　　LCOS实现全彩的方式，是用三颗RGB颜色的LED灯或激光作为照明。

　　其中关键有两部分：LCOS负责光的偏振调制，PBS（偏振分束器）负责偏振光的筛选。
液晶对光的调制是通过偏振实现的。通常入射光是S光，通过PBS反射到LCOS面板。
面板对不同区域施加不同电压后，S光会转变为P光。如果不施加电压，S光保持不变；
如果施加满电压，S光完全转为P光。PBS具有高度的偏振选择性，反射S光，透过P光。这样，经过调制的光（图像）就会通过PBS进入投影光路，从而输出图像。
通过不同角度的液晶分子旋转，可以控制不同偏振成分，实现能量输出和灰度调制。

　　图片：LCOS液晶分子偏振转换。

　　关键在于偏振控制。
由于LED光本身没有特定偏振态，所以需要在入射端加偏振片，这会直接损失一半能量。而使用激光光源，其出射偏振态可在激光器端控制，使能量利用率更高。

　　从光学设计角度来看，激光还有一个很重要的特性：准直性好，也就是发散角小。
光学系统的重要作用，就是对光的角度和形态进行控制。发出去的光，像泼出去的水一样，总是倾向于发散。激光的发散角可以小于1，而LED发散角通常达到几十度。
大的发散角需要更大的光学元件和系统尺寸去控制。所以激光的小发散角意味着所需的光学准直投影系统更小，能量集中度更高，杂散光更容易控制，最终体现为更高的图像对比度。

　　从上面的分析可以看出，激光的“一致”和“聚焦”特性，带来了更高亮度、更纯更宽广的颜色、更高的对比度，以及更紧凑的光学系统。

　　那激光这么好，是不是就没有缺点呢？任何技术都有自己的短板，激光也不例外。
激光显示系统中最重要的问题，就是散斑。

　　散斑的存在，正是因为激光太过“一致”。激光具有很强的相干性，而任何表面都不是完美光滑。激光经过这些粗糙的微表面，在投影面相干叠加后，就会产生亮度不一致的散斑。相干叠加就像双缝干涉，会产生明暗相间的条纹。

　　散斑很难彻底消除，因为这是激光的物理本质所致。这成为制约激光+ LCOS 方案普及的关键挑战。而这一痛点，正是半导体激光光源领先企业（688007.SH）的核心技术优势所在，光峰科技深耕半导体激光光源技术十多年，对于消除激光散斑早已是行业NO.1的存在。从光学同行得知，光峰科技还在高功率半导体激光器方面取得重大突破，可以针对AR眼镜的特定需求，对激光器实现针对不同功率的批量定制，这将是极大的竞争优势。

　　另外，在AR显示中，对散斑的容忍度相对更高。因为AR显示的真实应用场景，并不是为了观看电影，而是与现实融合显示。我们不需要完整显示整个画面，只需要在关键区域叠加关键信息即可。

　　在消费级投影仪市场，三激光+LCOS方案主要应用于高端市场，并已开始向中端市场渗透。在微投影的AR眼镜中，激光+LCOS，理应成为一条极具竞争力的重要技术路径。

　　作为ARVR行业的带头大哥，Meta，通过一篇Nature论文，已经向大家展示了下下一代的近眼显示方案。

　　那就是LCOS + 激光光源 + 光子器件。

　　这里的光子器件，就是用平面的集成光路，去替代自由空间的光路。