AR眼鏡的顯示技術:虛擬超越想像而基於現實

作者 : 孫文軒,ams OSRAM系統方案工程經理

為了讓現實如科幻電影中的AR眼鏡,應該具備什麼特點?首先,在技術上要實現虛實的完全融合,其次在外觀上應與普通眼鏡無異。而要達到這兩點則涉及重量、人體工學、高效能等數十項因素,其中,顯示技術是關鍵的突破...

近幾年,「元宇宙」(metaverse)如一陣熱風,吹起了無數人對於科技、夢幻與未來的想像。隨著元宇宙的議題發燒,作為其硬體載體的擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)裝置正成為科技創新的重要領域之一。

AR是指透過攝影機影像的位置及角度精算並加上影像分析技術,讓螢幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景結合並與之互動的技術。AR技術主要包括硬體、軟體、內容和平台四個部份,本文重點討論用於主要硬體部份顯示光機的光源。

在進入正式內容之前,不妨先發想:為了讓現實如科幻電影中的AR眼鏡,應該具備什麼特點?首先,在技術上要實現虛實的完全融合,其次在外觀上應與普通眼鏡無異。而要達到這兩點則涉及重量、人體工學、高效能等數十項因素,在這重重的困難中顯示技術是關鍵的突破口。

AR眼鏡中的主流顯示技術

目前用於AR眼鏡的主流顯示技術可以分為被動式微顯示技術、主動式微顯示技術以及掃描顯示技術。

被動式微顯示技術包括傳統的LCD、DLP以及LCOS等顯示技術在工作時需要使用RGB LED或者RGB雷射作為光源。被動式微顯示技術發展已經相當成熟,可用於實現高亮度、高色域等優點,但其光機體積也相對地比其他微顯示技術較大些,而且光展量有限。

主動式微顯示技術包括使用Micro OLED和Micro LED的顯示技術。Micro OLED又稱為矽基OLED,擁有自發光等特性,較適合在VR眼鏡中使用。如果在AR裝置使用Micro OLED顯示器,在明亮場景下的顯示效果會大打折扣。主要原因是目前主流Micro OLED顯示技術的亮度僅能達到1,000-6,000尼特(Nit),最終入眼亮度可能只有200-300尼特。Micro LED在效率、亮度、色域對比度方面都有更好的表現,但由於RGB的整合難度非常大,因此該技術的應用還具有很多挑戰。

掃描顯示技術(LBS)使用RGB雷射作為光源,搭配MEMS進行掃描成像。它兼具體積小、效率高、高色域和高對比的優點,但系統設計較為複雜,並且由於雷射的干涉效應而可能導致散斑現象,因此LBS技術在影像品質上仍有待提升。

AR光機設計需要權衡」

在AR虛擬資訊顯示中,顯示的資訊需要根據眼鏡佩戴者的動作不斷調整適應,並疊加在用戶從現實世界中實際看到的東西上面。電腦需要透過攝影機、GPS定位或感測器資料檢測環境,並選擇需要顯示的資訊。因此,在進行設計時,工程師要考慮包括重量、人體工學、顯示亮度以及成本等許多因素。以目前的技術水準來看,各項因素之間交互作用也難以完全滿足所有要求,我們還要基於需求去設置不同的優先順序,從而決定相關的顯示方案(即光源和光學方案)。

例如ams OSRAM的多種LED可為AR光機提供光源。其中,針對分色鏡方案,提供了紅藍二合一LED-LE BR Q7WM.02、單綠LED-LE T Q8WM、轉換綠光LED-LCG H9RM。而在導光柱方案中,則提供將RGB三顆晶片整合於單一封裝中,再搭配導光柱實現照明場景的LED-LE RTB N7WM。

在AR中,分色鏡和導光柱都是常用的合光方案。一般來講,分色鏡方案可以收取更多的光能量,因此擁有更好的色彩均勻度,能夠實現更高的顯示亮度。但分色鏡方案需要較多光學元件,這會導致光機的尺寸較大,同時對於組裝精度也有嚴苛的要求。而導光柱方案則不需要很多分光鏡,因此組裝精度較低、光機的尺寸也相對較小,但由於排佈的關係,顯示器能利用到的LED光能量較低,同時由於排佈位置的差異也會使顏色均勻度較差。

為了改善顏色均勻度,ams OSRAM在原本RGB三顆晶片「一」字形排列的基礎上,推出了「田」字型LED-MOSAIC,它包括了RGGB四顆晶片的版本以及RRGGBB六顆晶片的版本。相較於原本的「一」字型排列,這種排列方式不僅提升了顏色的均勻度,而且進一步縮小了晶片表面相對於封裝表面的距離(從原來的0.44mm降到0.15mm),意味著光學離晶片更近,實現收光更容易、顏色更均勻。

那麼該方案可實現什麼樣的顯示亮度呢?以基於RGGB MOSAIC的AR顯示亮度為例,當LED的電功率為1W時,輸出的光通量約為50流明(lm),經過前端光學系統後,可以輸出10%到20%,也就是說在到達光波導鏡片之前會維持5到10lm的光通量。匹配不同的光波導類型,可以實現350nits到6500nits的入眼亮度。

利用MOSAIC LED搭配LCoS或者是DLP的方式,可以將光機體積縮小到3-5立方公分(cc),這比起傳統LED+分色鏡方案的5-10cc光機體積,在尺寸和重量方面都有了大幅度降低。儘管如此,對於消費型AR來說,這樣的體積依舊不是理想的狀態,尺寸需要進一步縮減。Ams OSRAM開發了一款適用於雷射光束掃描(LBS)技術的RGB整合式雷射搭配MEMS方案,可以將整個光機的體積縮小到1cc以下,這對於消費類AR眼鏡來說有較大的促進作用。

新型R/G/B雷模組

在LBS方案中最重要的三要素是RGB三色雷射、光束整形光學以及scanning mirror(s)。其原理是RGB三色的雷射從雷射模組發出後,經由光學元件校準以及合束以後到達MEMS mirror,再經由MEMS mirror反射出來,耦合進入光波導。光波導就像一般眼鏡的鏡片一樣,影像會在光波導裡面傳遞,然後最終投射到使用者的眼睛。

LBS技術本身並不是全新的顯示技術,早期採用的3個分離式R/G/B TO38雷射的光機尺寸較大,約為1.7cc左右,而基於ams OSRAM的三合一RGB雷射(VEGALAS RGB)設計的光機可將尺寸進一步縮小至0.7cc。這顆雷射尺寸僅為7×4.6×1.2 (mm3),可以直接做SMD貼片,並且使用了氣密性的封裝設計,可以防止特別是藍光雷射免受外界環境影響,從而大幅提升了可靠性。值得注意是,由於這顆雷射尚未整合光束整形光學,所以光束校準和合束需要在封裝外實現。

基於VEGALAS RGB的光機顯示亮度和雷射功率如何因應呢?以設置1500nits的目標入眼亮度為例,光波導的轉換率大約是150nits/lm,因此在進入光波導之前,光通量需要10lm左右。雷射經過光學元件的整形和合束,一般可實現50%以上的集光效率。我們可以計算出需要雷射的輸出光通量為17lm,再將其轉換成所需要的三個顏色的光功率,所需總光功率大約為78mW,然後依據每個晶片目前所能實現的電光轉換效率來計算,大概需要0.8W電功率輸入。

通過RGB雷射的波長、目標白點以及等效的白光通量@目標白點等參數可以計算出需要紅色的晶片輸出39mW的光功率,綠色的需要25mW的光功率,藍色需要14mW的光功率,這個就是前面78mW總光功率需求的來源。

未來:多光速掃描

為了使AR眼鏡更小、更輕薄而達到消費級的技術水準,除了目前正開發的VEGALAS RGB三合的雷射以外,還可以擴展光束掃描方案,即多光速掃描(Multi-Beam Scanning;MBS)。舉例來說,我們可以在綠光雷射一個發射點的基礎上,做出多個發射點,從而得到擁有更高更密集的掃描點畫素,這可以有效地提升整個顯示的解析度和均勻度。但目前多光速掃描技術實現相對困難,若想真正商業化還有較長的路要走。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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