一文读懂 | AR眼镜显示技术的现状和趋势

元宇宙爆发将带动AR/VR产业的发展

随着2021年“元宇宙”概念的火爆，其主要硬件载体AR/VR设备成为近一两年来科技创新的重要领域之一，并受到了谷歌、Meta、苹果、OPPO、索尼、阿里巴巴、腾讯、小米等科技公司的青睐。

从出货量的角度，根据TrendForce的数据显示，2020年全球AR/VR设备出货量将达512万台，而受益于华为、苹果、三星、Facebook等巨头推出更多眼镜式AR/VR设备，2021~2022年间市场将大幅成长，预估到2025年，全球出货量将攀升至4320万台，2020年至2025年的年复合成长率（CAGR）为53.1%。

 
图 | 2020-2025年头戴式AR/VR设备出货量，数据源：TrendForce

从行业产值的角度，根据QYR的数据显示，2021年全球AR和VR智能眼镜市场销售额达到了204.7亿美元，预计2028年将达到348亿美元，2022-2028年复合增长率（CAGR）为7.4%。
从市场划分的角度，AR眼镜用户被分成两大方向，一是普通消费者，他们对眼镜的要求通常是“舒适为王”；二是工业/企业用户，他们对眼镜的要求通常是“功能优先”。

 
图 | AR眼镜用户被分成普通消费者和工业/企业用户两大类

从组成原理的角度，AR主要由四个部分构成，分别是硬件、软件、内容和平台。其中在硬件方面，以Yole的分析报告为例，都会用绝大部分的篇幅来讨论显示技术和光学技术，而其他的功能讨论篇幅很少，这说明AR眼镜的显示技术在眼镜里所占的比重或者说意义非常大。

三种主流的AR眼镜显示技术及其优缺点

目前，业界有三种主流的AR眼镜显示技术，分别为：被动式微显示技术、主动式微显示技术和扫描显示技术。其中，被动式的微显示技术，包括传统的LCD以及 AR眼镜市场上比较主流的显示技术DLP和LCOS，加上RGB的LED或RGB的激光器作为光源。主动式的微显示技术，包括VR上面已经普遍采用的Micro OLED技术以及大家都在期待的Micro LED的技术。而扫描显示技术，则基本上以LBS（Laser Beam Scanning）方案为主。

 
图 | 业界三种主流的AR眼镜显示技术

这三个方向的技术各有优缺点，比如DLP/LCOS加LED的方案，技术非常成熟，具有高亮度、高色域等优点，但体积会相对较大，光展量比较有限；DLP/LCOS加激光的方案，除了拥有和LED类似的优点以外，体积相对加LED的方案会小一些，但相对Micro LED和LBS技术的方案又会大上不少，此外还会因为激光的单色性带来一部分的干涉效应，影响图像质量的提升；Micro OLED的方案更适合用在VR领域中，因为VR不需要和环境融合，在封闭现实环境中，其亮度已经足够，但对于AR来说，可能要适配阳光下使用的场景，亮度是远远不够的；相比Micro OLED的方案，Micro LED则可以在AR中提供足够的亮度，并且拥有系统简单、效率高、色域广、对比度好和易扩展等优点，目前市场上有一些单色的Micro LED已经在使用，但是从量产的成熟性来说，还不是很高，其最大的问题在于RGB的集成难度非常大，将RGB的三种芯片都集成在同一个Panel上实现Micro LED显示还有很长的一段路要走；而扫描显示技术LBS的方案，由于使用的是RGB激光器作为调制光源进行扫描成像的显示技术，所以具有体积小、效率高、高色域、高对比度和易扩展等优点，但其系统相对复杂，特别是在光学和电子方面，此外同样存在DLP/LCOS加激光方案中的激光干涉效应，影响图像质量的提升。

当前，还没有万能的AR显示技术方案

AR显示本身是一个显示部件，有针对显示器件一般的技术要求，比如色域、亮度、对比度等，也有诸如尺寸、重量、美观性、眼动范围、视野角等眼镜设备的场景特殊性要求，所以从目前的AR显示技术方案来看，并没有万能的解决方案，我们需要基于需求去设置不同的优先级，进而决定相关的显示方案。

 
图 | 分色镜方案和导光柱方案

就以使用LED的微显示系统为例，目前主流的有分色镜方案和导光柱方案两种。其中，分色镜方案可以收取更多的光能量，在颜色均匀度和显示亮度方面有优势，但从组成的角度来说，需要更多的光学器件，所以光机尺寸偏大，且对于组装的精度要求比较高。相比之下，导光柱的方案不需要这么多的光学元件，所以组装的精度要求较低，光机的尺寸较小，成本相对较低，但由于芯片排布的关系，显示器可以利用到的LED光能量较低，此外由于芯片位置的差异，相比于分色镜的合光方案，颜色均匀度方面要差一些。

基于以上因素考量，艾迈斯欧司朗等光学头部企业就在原本RGB芯片一字形排列的基础上，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。这种方案相对于一字型排列LED的方案的提升主要体现在两个方面：一是，从一字形的排列转变成田字形的排列，颜色均匀度会有较大改善；二是，芯片表面和封装表面的距离进一步减小，从而让光学部件离芯片更近，收光更容易，颜色更均匀。

 
图 | 基于RGGB MOSAIC的AR显示亮度示例，图源：艾迈斯欧司朗

艾迈斯欧司朗可视化与激光产品线系统方案工程经理孙文轩表示：“对于大家关心的LED功耗以及能实现多少入眼亮度的问题，以RGGB这颗电功率为1W的LED为例，可以输出50lm的光通量，经过前端的光学系统，在到达光波导镜片之前，可以维持约5-10lm光通量，再匹配不同的光波导类型，最终可以达到入眼亮度从350nits到6500nits不等。”

普通消费者需要什么样的AR眼镜，显示技术面临怎样的挑战？

普通消费者需要什么样的AR眼镜？总结下来尺寸、重量和美观这三点最重要，这就给显示方案中的光机尺寸提出了更高的要求。

 
图 | 普通消费者想要的AR眼镜 – 尺寸、重量、美观最重要

而传统2通道的LED加上分色镜的方案，可以实现的光机体积大概在5-10立方厘米左右，前面提到的MOSAIC LED搭配DLP/LCOS的方案，可以实现的光机体积大概在3-5立方厘米左右。对于普通消费者来说，这两种方案的光机体积都过大，不能接受。而LBS的方案，通过集成的RGB激光器搭配MEMS，可以把光机体积缩小到1立方厘米以下，这项显示技术将促进消费者端AR设备的应用落地。

 
图 | 基于VEGALAS™ RGB 的显示亮度和激光器功率估算，图源：艾迈斯欧司朗

在LBS的方案中，对于大家市场关心的显示方案大概能实现多少的入眼亮度，消耗多少电功率以及怎么样去匹配相应的每颗芯片的光功率的问题，孙文轩表示可以这样推算：“如果设置1500nits的入眼亮度目标，光波导的转换率大概是150nits/lm，在进入到光波导之前，光通量需要在10lm左右，经过前段光学器件的准直合束，预计会有50%以上的收集光的效率，需要激光器约17lm的输出，转换成三个颜色，总的光功率要求约78mW，再依据每个芯片目前所能实现的效率来计算，需要约0.8W的电功率输入。”

写在最后

在AR显示领域，除了万众期待的Micro LED，也就是真正地将RGB三种芯片都能集成在一个Panel上的Micro LED以外，是否还有更成熟的方案，可以实现AR眼镜更小、更轻薄的特性呢？基于LBS扩展的方案——多光束扫描MBS或可短期内替代Micro LED方案。