目标百万尼特亮度，这家公司用激光背光提升XR显示技术

news2024/11/17 5:23:47

亮度不足一直是AR/VR显示中想要解决的难题之一，目前的AR光源中有多种方案，比如Micro LED、LCoS、DLP等，尽管Micro LED在亮度等方面优势明显，但制造工艺还不成熟。总的来看，目前AR中高亮度解决方案还有很长一段路要走。

为解决AR显示的亮度不足问题，奥地利微显示公司VitreaLab决定从背光技术层面，改善现有的显示模组方案，并在Display Week 2023展示了一款激光背光方案的LCoS，他们称其为Quantum Light Chip。

Quantum Light Chip是一种集成光子电路，可在微尺度上控制激光。每个芯片还包含数千个微型光波导，结合纳米压印微光学元件后，可控制复杂的二维激光束阵列。特点是支持RGB彩色显示、色域提高50%，亮度更高。

VitrealLab希望激光源取代漫射背光源，可分别应用在AR、VR产品中，可搭配LCoS、LCD等光源。为进一步了解VitreaLab背光技术，我们将分别从AR和VR两个方面来了解其优势。

AR显示方案

激光是理想的LCoS光源，尽管有一定光线干涉、光斑问题，但可以实现很好的自由变焦、动态波束控制。据青亭网了解，VitreaLab的光机（Quantum Light Engine）由量子光芯片、偏振分光棱镜（PBS）、PCB电路板组成，可以和AR眼镜腿集成。

细节方面，VitreaLab将激光、微镜、光波导结合，可输出大量微激光束阵列。每个激光束可独立控制，作为LCoS、LCD的背光意味着不显示内容的像素可关闭，节省电量。

通常，基于投影的AR眼镜光机有两大组成部分：投影模块和光学模组，其中投影模组负责生成图像，而光学模组则负责显示图像。理想的光学模组有三大特征：轻巧紧凑、最好是一块玻璃（或其它材质）模板、可扩瞳。瞳孔扩展功能是实现大视场角的常见方式，但由于图像被复制多份导致整体的光学效率非常低，综合光损严重，需要搭配极其明亮的光源，才能实现足够高的入眼亮度。

目前，已应用于AR眼镜的投影模组主要有三种方案：LED背光LCoS、LBS、Micro LED，优缺点明显。LCoS是反射式显示技术，使用液晶控制光的偏振来生成图像，基于LED背光的LCoS已经是比较成熟的AR显示技术（Avegant、HoloLens 1、ML1），尽管图像质量和刷新率出色，但在尺寸、亮度上有局限，而且所有像素都需要持续点亮，实际使用率只有10%，比较费电。

LBS方案的优势是体积小、重量轻，不用点亮所有像素，比较省电，亮度明显高于LED背光LCoS，但分辨率、刷新率低，整体图像质量差。

而Micro LED虽然方案优势明显，但目前技术还不成熟，次像素尺寸还不能满足AR的需求（需要比LCoS小3倍）。该方案的优点是亮度非常高、外形紧凑，缺点是现阶段缩小次像素尺寸后，会造成亮度和效率降低。

左：LBS、右：Micro LED

VitreaLab GmbH示意图

目前，还没有一个能同时实现小尺寸、高亮度、高效率、高分辨率、鲜艳色彩、低成本的AR投影方案。为了解决这一问题，VitreaLab采用量子光芯片来取代LED背光，该芯片基于硼硅酸盐玻璃，并叠加了纳米压印层来提取光。简单来讲，量子光芯片看起来像是一小块玻璃，由于侧面集成了RGB激光二极管，该芯片表面可输出密集的激光束阵列。

从光路上对比，LED背光向多个角度输出光线，在AR眼镜中难以控制，而且色彩在空间上是分开的，需要额外的组合机制。而量子光芯片在不到10°的锥形范围内发光，RGB三种颜色可以很好的组合，意味着更大的亮度、更小的空间占用率。

相比于LED背光，量子光芯片的一大特点是输出光更容易准直，集光率更低。原因是LED发射的光线发散，而激光源发射的光线更集中，可以被透镜完整收集，光学效率比LED更高。

常见的LCoS的能量转化率低，即使在显示黑色图像时，白色背光也在发光，因此效率远低于Micro LED等自发光技术。而激光背光可轻松控制像素，实现局部照明效果，进而更加省电。也就是说，只有AR图像是明亮的，周边没有显示图像的区域没有明显的色彩，可以更好的透过外部环境光。

由于自发光性、高亮度，Micro LED一直被认为是理想的AR显示技术。但现阶段，LCoS比Micro LED在制造上更加成熟，尺寸也足够小巧，结合激光背光也能实现高亮度、高光效。VitreaLab还计划，今年稍后展示更高分辨率、更高效的AR显示方案。

值得关注的是，激光显示的一大难题是散斑问题（speckle），这是一种连续性图像伪影，外观呈颗粒状。

为了解决这一问题，VitreaLab尝试了两种方案，一种是快速转动激光束，缺点是效果不够好，视觉舒适度差。另一种方案则是主动抑制散斑，将单个激光束转化为数百个密集的光束，这大大降低了散斑现象，将散斑对比度从30%以上降低到5%以下，不容易被肉眼察觉。

VR显示方案

在VR场景，VitreaLab GmbH推出了激光LCD的方案，特点是入眼亮度大于10000尼特（宣称在输出相同数量光子的情况，比LED背光亮80倍），占空比为10%，色域大于99%，视场角大于110°，分辨率大于60PPD，支持多焦距调节，具备高能效。

VitreaLab指出，如果使用正确的背光，高分辨率LCD也可以满足Meta提出的视觉图灵测试，同时预计：激光LCD在多次迭代后，预计2025年在消费级VR设备上批量应用。

LCD为非自发光显示技术，原理是在液晶层后面加入强光源（背光），如果用量子光芯片取代传统LCD的LED背光，则可在不改变液晶层的情况下大幅提升性能。激光背光更容易让光束准直，意味着集光率更低，这对于VR很重要，可以实现更好的光学效率，产生更少的杂散光。

简单来讲，在LCD屏幕上，VitreaLab希望通过激光来降低背光源透过液晶层的光损，从而实现更高的入眼亮度。

在光损和入眼亮度方面，现阶段，LCD光效约1-2%，VitreaLab的目标是入眼亮度达到1万尼特。目前，VitreaLab最新的背光源峰值亮度约50万尼特，后续通过优化激光二极管数量和效率，亮度有望在一年内提升至500万尼特。

Micro OLED在VR中应用的优势也比较明显，比如更高分辨率等。对比来看，激光LCD方案会产生更少的杂散光、且能源效率高。如Micro OLED（效率1125nit/W）结合Pancake的功耗降至110nit/W；而激光LCD结合Pancake的入眼效果就高达效率2550nit/W，是Micro OLED的22倍。