目標百萬尼特亮度，這家公司用激光背光提升XR顯示技術

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在亮度等方面優勢明顯，但制造工藝還不成熟?？偟膩砜?，目前AR中高亮度解決方案還有很長一段路要走。

為解決AR顯示的亮度不足問題，奧地利微顯示公司VitreaLab決定從背光技術層面，改善現有的顯示模組方案，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。每個芯片還包含數千個微型光波導，結合納米壓印微光學元件后，可控制復雜的二維激光束陣列。特點是支持RGB彩色顯示、色域提高50%，亮度更高。

【資料圖】

VitrealLab希望激光源取代漫射背光源，可分別應用在AR、VR產品中，可搭配LCoS、LCD等光源。為進一步了解VitreaLab背光技術，我們將分別從AR和VR兩個方面來了解其優勢。

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，但可以實現很好的自由變焦、動態波束控制。據青亭網了解，VitreaLab的光機（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。

細節方面，VitreaLab將激光、微鏡、光波導結合，可輸出大量微激光束陣列。每個激光束可獨立控制，作為LCoS、LCD的背光意味著不顯示內容的像素可關閉，節省電量。

通常，基于投影的AR眼鏡光機有兩大組成部分：投影模塊和光學模組，其中投影模組負責生成圖像，而光學模組則負責顯示圖像。理想的光學模組有三大特征：輕巧緊湊、最好是一塊玻璃（或其它材質）模板、可擴瞳。瞳孔擴展功能是實現大視場角的常見方式，但由于圖像被復制多份導致整體的光學效率非常低，綜合光損嚴重，需要搭配極其明亮的光源，才能實現足夠高的入眼亮度。

目前，已應用于AR眼鏡的投影模組主要有三種方案：LED背光LCoS、LBS、Micro LED，優缺點明顯。LCoS是反射式顯示技術，使用液晶控制光的偏振來生成圖像，基于LED背光的LCoS已經是比較成熟的AR顯示技術（Avegant、HoloLens 1、ML1），盡管圖像質量和刷新率出色，但在尺寸、亮度上有局限，而且所有像素都需要持續點亮，實際使用率只有10%，比較費電。

LBS方案的優勢是體積小、重量輕，不用點亮所有像素，比較省電，亮度明顯高于LED背光LCoS，但分辨率、刷新率低，整體圖像質量差。

而Micro LED雖然方案優勢明顯，但目前技術還不成熟，次像素尺寸還不能滿足AR的需求（需要比LCoS小3倍）。該方案的優點是亮度非常高、外形緊湊，缺點是現階段縮小次像素尺寸后，會造成亮度和效率降低。

左：LBS、右：Micro LED

VitreaLab GmbH示意圖

目前，還沒有一個能同時實現小尺寸、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提取光。簡單來講，量子光芯片看起來像是一小塊玻璃，由于側面集成了RGB激光二極管，該芯片表面可輸出密集的激光束陣列。

從光路上對比，LED背光向多個角度輸出光線，在AR眼鏡中難以控制，而且色彩在空間上是分開的，需要額外的組合機制。而量子光芯片在不到10°的錐形范圍內發光，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是輸出光更容易準直，集光率更低。原因是LED發射的光線發散，而激光源發射的光線更集中，可以被透鏡完整收集，光學效率比LED更高。

常見的LCoS的能量轉化率低，即使在顯示黑色圖像時，白色背光也在發光，因此效率遠低于Micro LED等自發光技術。而激光背光可輕松控制像素，實現局部照明效果，進而更加省電。也就是說，只有AR圖像是明亮的，周邊沒有顯示圖像的區域沒有明顯的色彩，可以更好的透過外部環境光。

由于自發光性、高亮度，Micro LED一直被認為是理想的AR顯示技術。但現階段，LCoS比Micro LED在制造上更加成熟，尺寸也足夠小巧，結合激光背光也能實現高亮度、高光效。VitreaLab還計劃，今年稍后展示更高分辨率、更高效的AR顯示方案。

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

為了解決這一問題，VitreaLab嘗試了兩種方案，一種是快速轉動激光束，缺點是效果不夠好，視覺舒適度差。另一種方案則是主動抑制散斑，將單個激光束轉化為數百個密集的光束，這大大降低了散斑現象，將散斑對比度從30%以上降低到5%以下，不容易被肉眼察覺。

VR顯示方案

在VR場景，VitreaLab GmbH推出了激光LCD的方案，特點是入眼亮度大于10000尼特（宣稱在輸出相同數量光子的情況，比LED背光亮80倍），占空比為10%，色域大于99%，視場角大于110°，分辨率大于60PPD，支持多焦距調節，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提出的視覺圖靈測試，同時預計：激光LCD在多次迭代后，預計2025年在消費級VR設備上批量應用。

LCD為非自發光顯示技術，原理是在液晶層后面加入強光源（背光），如果用量子光芯片取代傳統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直，意味著集光率更低，這對于VR很重要，可以實現更好的光學效率，產生更少的雜散光。

簡單來講，在LCD屏幕上，VitreaLab希望通過激光來降低背光源透過液晶層的光損，從而實現更高的入眼亮度。

在光損和入眼亮度方面，現階段，LCD光效約1-2%，VitreaLab的目標是入眼亮度達到1萬尼特。目前，VitreaLab最新的背光源峰值亮度約50萬尼特，后續通過優化激光二極管數量和效率，亮度有望在一年內提升至500萬尼特。

Micro OLED在VR中應用的優勢也比較明顯，比如更高分辨率等。對比來看，激光LCD方案會產生更少的雜散光、且能源效率高。如Micro OLED（效率1125nit/W）結合Pancake的功耗降至110nit/W；而激光LCD結合Pancake的入眼效果就高達效率2550nit/W，是Micro OLED的22倍。

入眼亮度方面，對比現有VR顯示產品：Quest 2為100nit、PS VR2為265nit，VitreaLab宣稱Pancake方案入眼2000nit，結合全息方案可高達1萬nit。

此外，VitreaLab還可以實現在三個或更多深度切換焦距，不過可能會增加顯示模組的體積，預計2024年三季度對外展示。

參考：Medium

責任編輯：Rex_10