亮度不足一直是AR/VR顯示中想要解決的難題之一，目前的AR光源中有多種方案，比如Micro LED、LCoS、DLP等，盡管Micro LED在亮度等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但制造工藝還不成熟?？偟膩?lái)看，目前AR中高亮度解決方案還有很長(zhǎng)一段路要走。

為解決AR顯示的亮度不足問題，奧地利微顯示公司VitreaLab決定從背光技術(shù)層面，改善現(xiàn)有的顯示模組方案，并在Display Week 2023展示了一款激光背光方案的LCoS，他們稱其為Quantum Light Chip。

Quantum Light Chip是一種集成光子電路，可在微尺度上控制激光。每個(gè)芯片還包含數(shù)千個(gè)微型光波導(dǎo)，結(jié)合納米壓印微光學(xué)元件后，可控制復(fù)雜的二維激光束陣列。特點(diǎn)是支持RGB彩色顯示、色域提高50%，亮度更高。

VitrealLab希望激光源取代漫射背光源，可分別應(yīng)用在AR、VR產(chǎn)品中，可搭配LCoS、LCD等光源。為進(jìn)一步了解VitreaLab背光技術(shù)，我們將分別從AR和VR兩個(gè)方面來(lái)了解其優(yōu)勢(shì)。

AR顯示方案

激光是理想的LCoS光源，盡管有一定光線干涉、光斑問題，但可以實(shí)現(xiàn)很好的自由變焦、動(dòng)態(tài)波束控制。據(jù)青亭網(wǎng)了解，VitreaLab的光機(jī)（Quantum Light Engine）由量子光芯片、偏振分光棱鏡（PBS）、PCB電路板組成，可以和AR眼鏡腿集成。

細(xì)節(jié)方面，VitreaLab將激光、微鏡、光波導(dǎo)結(jié)合，可輸出大量微激光束陣列。每個(gè)激光束可獨(dú)立控制，作為L(zhǎng)CoS、LCD的背光意味著不顯示內(nèi)容的像素可關(guān)閉，節(jié)省電量。

通常，基于投影的AR眼鏡光機(jī)有兩大組成部分：投影模塊和光學(xué)模組，其中投影模組負(fù)責(zé)生成圖像，而光學(xué)模組則負(fù)責(zé)顯示圖像。理想的光學(xué)模組有三大特征：輕巧緊湊、最好是一塊玻璃（或其它材質(zhì)）模板、可擴(kuò)瞳。瞳孔擴(kuò)展功能是實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角的常見方式，但由于圖像被復(fù)制多份導(dǎo)致整體的光學(xué)效率非常低，綜合光損嚴(yán)重，需要搭配極其明亮的光源，才能實(shí)現(xiàn)足夠高的入眼亮度。

目前，已應(yīng)用于AR眼鏡的投影模組主要有三種方案：LED背光LCoS、LBS、Micro LED，優(yōu)缺點(diǎn)明顯。LCoS是反射式顯示技術(shù)，使用液晶控制光的偏振來(lái)生成圖像，基于LED背光的LCoS已經(jīng)是比較成熟的AR顯示技術(shù)（Avegant、HoloLens 1、ML1），盡管圖像質(zhì)量和刷新率出色，但在尺寸、亮度上有局限，而且所有像素都需要持續(xù)點(diǎn)亮，實(shí)際使用率只有10%，比較費(fèi)電。

LBS方案的優(yōu)勢(shì)是體積小、重量輕，不用點(diǎn)亮所有像素，比較省電，亮度明顯高于LED背光LCoS，但分辨率、刷新率低，整體圖像質(zhì)量差。

而Micro LED雖然方案優(yōu)勢(shì)明顯，但目前技術(shù)還不成熟，次像素尺寸還不能滿足AR的需求（需要比LCoS小3倍）。該方案的優(yōu)點(diǎn)是亮度非常高、外形緊湊，缺點(diǎn)是現(xiàn)階段縮小次像素尺寸后，會(huì)造成亮度和效率降低。

左：LBS、右：Micro LED

?

VitreaLab GmbH示意圖

目前，還沒有一個(gè)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)小尺寸、高亮度、高效率、高分辨率、鮮艷色彩、低成本的AR投影方案。為了解決這一問題，VitreaLab采用量子光芯片來(lái)取代LED背光，該芯片基于硼硅酸鹽玻璃，并疊加了納米壓印層來(lái)提取光。簡(jiǎn)單來(lái)講，量子光芯片看起來(lái)像是一小塊玻璃，由于側(cè)面集成了RGB激光二極管，該芯片表面可輸出密集的激光束陣列。

從光路上對(duì)比，LED背光向多個(gè)角度輸出光線，在AR眼鏡中難以控制，而且色彩在空間上是分開的，需要額外的組合機(jī)制。而量子光芯片在不到10°的錐形范圍內(nèi)發(fā)光，RGB三種顏色可以很好的組合，意味著更大的亮度、更小的空間占用率。

相比于LED背光，量子光芯片的一大特點(diǎn)是輸出光更容易準(zhǔn)直，集光率更低。原因是LED發(fā)射的光線發(fā)散，而激光源發(fā)射的光線更集中，可以被透鏡完整收集，光學(xué)效率比LED更高。

常見的LCoS的能量轉(zhuǎn)化率低，即使在顯示黑色圖像時(shí)，白色背光也在發(fā)光，因此效率遠(yuǎn)低于Micro LED等自發(fā)光技術(shù)。而激光背光可輕松控制像素，實(shí)現(xiàn)局部照明效果，進(jìn)而更加省電。也就是說(shuō)，只有AR圖像是明亮的，周邊沒有顯示圖像的區(qū)域沒有明顯的色彩，可以更好的透過(guò)外部環(huán)境光。

由于自發(fā)光性、高亮度，Micro LED一直被認(rèn)為是理想的AR顯示技術(shù)。但現(xiàn)階段，LCoS比Micro LED在制造上更加成熟，尺寸也足夠小巧，結(jié)合激光背光也能實(shí)現(xiàn)高亮度、高光效。VitreaLab還計(jì)劃，今年稍后展示更高分辨率、更高效的AR顯示方案。

值得關(guān)注的是，激光顯示的一大難題是散斑問題（speckle），這是一種連續(xù)性圖像偽影，外觀呈顆粒狀。

為了解決這一問題，VitreaLab嘗試了兩種方案，一種是快速轉(zhuǎn)動(dòng)激光束，缺點(diǎn)是效果不夠好，視覺舒適度差。另一種方案則是主動(dòng)抑制散斑，將單個(gè)激光束轉(zhuǎn)化為數(shù)百個(gè)密集的光束，這大大降低了散斑現(xiàn)象，將散斑對(duì)比度從30%以上降低到5%以下，不容易被肉眼察覺。

VR顯示方案

在VR場(chǎng)景，VitreaLab GmbH推出了激光LCD的方案，特點(diǎn)是入眼亮度大于10000尼特（宣稱在輸出相同數(shù)量光子的情況，比LED背光亮80倍），占空比為10%，色域大于99%，視場(chǎng)角大于110°，分辨率大于60PPD，支持多焦距調(diào)節(jié)，具備高能效。

VitreaLab指出，如果使用正確的背光，高分辨率LCD也可以滿足Meta提出的視覺圖靈測(cè)試，同時(shí)預(yù)計(jì)：激光LCD在多次迭代后，預(yù)計(jì)2025年在消費(fèi)級(jí)VR設(shè)備上批量應(yīng)用。

LCD為非自發(fā)光顯示技術(shù)，原理是在液晶層后面加入強(qiáng)光源（背光），如果用量子光芯片取代傳統(tǒng)LCD的LED背光，則可在不改變液晶層的情況下大幅提升性能。激光背光更容易讓光束準(zhǔn)直，意味著集光率更低，這對(duì)于VR很重要，可以實(shí)現(xiàn)更好的光學(xué)效率，產(chǎn)生更少的雜散光。

簡(jiǎn)單來(lái)講，在LCD屏幕上，VitreaLab希望通過(guò)激光來(lái)降低背光源透過(guò)液晶層的光損，從而實(shí)現(xiàn)更高的入眼亮度。

在光損和入眼亮度方面，現(xiàn)階段，LCD光效約1-2%，VitreaLab的目標(biāo)是入眼亮度達(dá)到1萬(wàn)尼特。目前，VitreaLab最新的背光源峰值亮度約50萬(wàn)尼特，后續(xù)通過(guò)優(yōu)化激光二極管數(shù)量和效率，亮度有望在一年內(nèi)提升至500萬(wàn)尼特。

Micro OLED在VR中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)也比較明顯，比如更高分辨率等。對(duì)比來(lái)看，激光LCD方案會(huì)產(chǎn)生更少的雜散光、且能源效率高。如Micro OLED（效率1125nit/W）結(jié)合Pancake的功耗降至110nit/W；而激光LCD結(jié)合Pancake的入眼效果就高達(dá)效率2550nit/W，是Micro OLED的22倍。

入眼亮度方面，對(duì)比現(xiàn)有VR顯示產(chǎn)品：Quest 2為100nit、PS VR2為265nit，VitreaLab宣稱Pancake方案入眼2000nit，結(jié)合全息方案可高達(dá)1萬(wàn)nit。

此外，VitreaLab還可以實(shí)現(xiàn)在三個(gè)或更多深度切換焦距，不過(guò)可能會(huì)增加顯示模組的體積，預(yù)計(jì)2024年三季度對(duì)外展示。

參考：Medium