一文讀懂 | AR眼鏡顯示技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)

元宇宙爆發(fā)將帶動(dòng)AR/VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

隨著2021年“元宇宙”概念的火爆，其主要硬件載體AR/VR設(shè)備成為近一兩年來科技創(chuàng)新的重要領(lǐng)域之一，并受到了谷歌、Meta、蘋果、OPPO、索尼、阿里巴巴、騰訊、小米等科技公司的青睞。

從出貨量的角度，根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球AR/VR設(shè)備出貨量將達(dá)512萬臺(tái)，而受益于華為、蘋果、三星、Facebook等巨頭推出更多眼鏡式AR/VR設(shè)備，2021~2022年間市場(chǎng)將大幅成長(zhǎng)，預(yù)估到2025年，全球出貨量將攀升至4320萬臺(tái)，2020年至2025年的年復(fù)合成長(zhǎng)率（CAGR）為53.1%。

 
圖 | 2020-2025年頭戴式AR/VR設(shè)備出貨量，數(shù)據(jù)源：TrendForce

從行業(yè)產(chǎn)值的角度，根據(jù)QYR的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球AR和VR智能眼鏡市場(chǎng)銷售額達(dá)到了204.7億美元，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到348億美元，2022-2028年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為7.4%。
從市場(chǎng)劃分的角度，AR眼鏡用戶被分成兩大方向，一是普通消費(fèi)者，他們對(duì)眼鏡的要求通常是“舒適為王”；二是工業(yè)/企業(yè)用戶，他們對(duì)眼鏡的要求通常是“功能優(yōu)先”。

 
圖 | AR眼鏡用戶被分成普通消費(fèi)者和工業(yè)/企業(yè)用戶兩大類

從組成原理的角度，AR主要由四個(gè)部分構(gòu)成，分別是硬件、軟件、內(nèi)容和平臺(tái)。其中在硬件方面，以Yole的分析報(bào)告為例，都會(huì)用絕大部分的篇幅來討論顯示技術(shù)和光學(xué)技術(shù)，而其他的功能討論篇幅很少，這說明AR眼鏡的顯示技術(shù)在眼鏡里所占的比重或者說意義非常大。

三種主流的AR眼鏡顯示技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前，業(yè)界有三種主流的AR眼鏡顯示技術(shù)，分別為：被動(dòng)式微顯示技術(shù)、主動(dòng)式微顯示技術(shù)和掃描顯示技術(shù)。其中，被動(dòng)式的微顯示技術(shù)，包括傳統(tǒng)的LCD以及 AR眼鏡市場(chǎng)上比較主流的顯示技術(shù)DLP和LCOS，加上RGB的LED或RGB的激光器作為光源。主動(dòng)式的微顯示技術(shù)，包括VR上面已經(jīng)普遍采用的Micro OLED技術(shù)以及大家都在期待的Micro LED的技術(shù)。而掃描顯示技術(shù)，則基本上以LBS（Laser Beam Scanning）方案為主。

 
圖 | 業(yè)界三種主流的AR眼鏡顯示技術(shù)

這三個(gè)方向的技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，比如DLP/LCOS加LED的方案，技術(shù)非常成熟，具有高亮度、高色域等優(yōu)點(diǎn)，但體積會(huì)相對(duì)較大，光展量比較有限；DLP/LCOS加激光的方案，除了擁有和LED類似的優(yōu)點(diǎn)以外，體積相對(duì)加LED的方案會(huì)小一些，但相對(duì)Micro LED和LBS技術(shù)的方案又會(huì)大上不少，此外還會(huì)因?yàn)榧す獾膯紊詭硪徊糠值母缮嫘?yīng)，影響圖像質(zhì)量的提升；Micro OLED的方案更適合用在VR領(lǐng)域中，因?yàn)閂R不需要和環(huán)境融合，在封閉現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，其亮度已經(jīng)足夠，但對(duì)于AR來說，可能要適配陽光下使用的場(chǎng)景，亮度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；相比Micro OLED的方案，Micro LED則可以在AR中提供足夠的亮度，并且擁有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、效率高、色域廣、對(duì)比度好和易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上有一些單色的Micro LED已經(jīng)在使用，但是從量產(chǎn)的成熟性來說，還不是很高，其最大的問題在于RGB的集成難度非常大，將RGB的三種芯片都集成在同一個(gè)Panel上實(shí)現(xiàn)Micro LED顯示還有很長(zhǎng)的一段路要走；而掃描顯示技術(shù)LBS的方案，由于使用的是RGB激光器作為調(diào)制光源進(jìn)行掃描成像的顯示技術(shù)，所以具有體積小、效率高、高色域、高對(duì)比度和易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，特別是在光學(xué)和電子方面，此外同樣存在DLP/LCOS加激光方案中的激光干涉效應(yīng)，影響圖像質(zhì)量的提升。

當(dāng)前，還沒有萬能的AR顯示技術(shù)方案

AR顯示本身是一個(gè)顯示部件，有針對(duì)顯示器件一般的技術(shù)要求，比如色域、亮度、對(duì)比度等，也有諸如尺寸、重量、美觀性、眼動(dòng)范圍、視野角等眼鏡設(shè)備的場(chǎng)景特殊性要求，所以從目前的AR顯示技術(shù)方案來看，并沒有萬能的解決方案，我們需要基于需求去設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而決定相關(guān)的顯示方案。

 
圖 | 分色鏡方案和導(dǎo)光柱方案

就以使用LED的微顯示系統(tǒng)為例，目前主流的有分色鏡方案和導(dǎo)光柱方案兩種。其中，分色鏡方案可以收取更多的光能量，在顏色均勻度和顯示亮度方面有優(yōu)勢(shì)，但從組成的角度來說，需要更多的光學(xué)器件，所以光機(jī)尺寸偏大，且對(duì)于組裝的精度要求比較高。相比之下，導(dǎo)光柱的方案不需要這么多的光學(xué)元件，所以組裝的精度要求較低，光機(jī)的尺寸較小，成本相對(duì)較低，但由于芯片排布的關(guān)系，顯示器可以利用到的LED光能量較低，此外由于芯片位置的差異，相比于分色鏡的合光方案，顏色均勻度方面要差一些。

基于以上因素考量，艾邁斯歐司朗等光學(xué)頭部企業(yè)就在原本RGB芯片一字形排列的基礎(chǔ)上，推出了田字形排列的RGGB四芯片版本和RRGGBB六芯片版本的MOSAIC LED方案。這種方案相對(duì)于一字型排列LED的方案的提升主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是，從一字形的排列轉(zhuǎn)變成田字形的排列，顏色均勻度會(huì)有較大改善；二是，芯片表面和封裝表面的距離進(jìn)一步減小，從而讓光學(xué)部件離芯片更近，收光更容易，顏色更均勻。

 
圖 | 基于RGGB MOSAIC的AR顯示亮度示例，圖源：艾邁斯歐司朗

艾邁斯歐司朗可視化與激光產(chǎn)品線系統(tǒng)方案工程經(jīng)理孫文軒表示：“對(duì)于大家關(guān)心的LED功耗以及能實(shí)現(xiàn)多少入眼亮度的問題，以RGGB這顆電功率為1W的LED為例，可以輸出50lm的光通量，經(jīng)過前端的光學(xué)系統(tǒng)，在到達(dá)光波導(dǎo)鏡片之前，可以維持約5-10lm光通量，再匹配不同的光波導(dǎo)類型，最終可以達(dá)到入眼亮度從350nits到6500nits不等。”

普通消費(fèi)者需要什么樣的AR眼鏡，顯示技術(shù)面臨怎樣的挑戰(zhàn)？

普通消費(fèi)者需要什么樣的AR眼鏡？總結(jié)下來尺寸、重量和美觀這三點(diǎn)最重要，這就給顯示方案中的光機(jī)尺寸提出了更高的要求。

 
圖 | 普通消費(fèi)者想要的AR眼鏡 – 尺寸、重量、美觀最重要

而傳統(tǒng)2通道的LED加上分色鏡的方案，可以實(shí)現(xiàn)的光機(jī)體積大概在5-10立方厘米左右，前面提到的MOSAIC LED搭配DLP/LCOS的方案，可以實(shí)現(xiàn)的光機(jī)體積大概在3-5立方厘米左右。對(duì)于普通消費(fèi)者來說，這兩種方案的光機(jī)體積都過大，不能接受。而LBS的方案，通過集成的RGB激光器搭配MEMS，可以把光機(jī)體積縮小到1立方厘米以下，這項(xiàng)顯示技術(shù)將促進(jìn)消費(fèi)者端AR設(shè)備的應(yīng)用落地。

 
圖 | 基于VEGALAS™ RGB 的顯示亮度和激光器功率估算，圖源：艾邁斯歐司朗

在LBS的方案中，對(duì)于大家市場(chǎng)關(guān)心的顯示方案大概能實(shí)現(xiàn)多少的入眼亮度，消耗多少電功率以及怎么樣去匹配相應(yīng)的每顆芯片的光功率的問題，孫文軒表示可以這樣推算：“如果設(shè)置1500nits的入眼亮度目標(biāo)，光波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換率大概是150nits/lm，在進(jìn)入到光波導(dǎo)之前，光通量需要在10lm左右，經(jīng)過前段光學(xué)器件的準(zhǔn)直合束，預(yù)計(jì)會(huì)有50%以上的收集光的效率，需要激光器約17lm的輸出，轉(zhuǎn)換成三個(gè)顏色，總的光功率要求約78mW，再依據(jù)每個(gè)芯片目前所能實(shí)現(xiàn)的效率來計(jì)算，需要約0.8W的電功率輸入。”

寫在最后

在AR顯示領(lǐng)域，除了萬眾期待的Micro LED，也就是真正地將RGB三種芯片都能集成在一個(gè)Panel上的Micro LED以外，是否還有更成熟的方案，可以實(shí)現(xiàn)AR眼鏡更小、更輕薄的特性呢？基于LBS擴(kuò)展的方案——多光束掃描MBS或可短期內(nèi)替代Micro LED方案。