META的高效紧凑型硅基液晶（LCoS）技术：面向增强现实眼镜的设计

2025-12-18

引言

硅基液晶（LCoS）技术已成为各类光学应用发展的核心支柱，其应用领域涵盖微型投影仪 [1]、光束控制 [2] 以及空间光调制器等。该技术兼具成熟度高、性价比优异以及支持高亮度输出等优势，因此成为现货增强现实（AR）眼镜的理想技术选型之一。然而，尽管具备上述优势，LCoS 技术在 AR 领域的应用仍面临诸多挑战，例如功耗偏高、对比度受限，同时在器件尺寸、重量控制以及色分离伪影抑制等方面也存在亟待解决的问题。

针对这些挑战，本文提出一种创新解决方案 —— 在 LCoS 显示器中引入分区照明技术 [3]。该方法旨在提升显示对比度并降低器件功耗，从而增强 LCoS 技术在 AR 应用场景中的实用性。此外，本文还提出并验证了一款超小像素尺寸的铁电硅基液晶（FLCoS）器件 [4]，该器件能够显著缩小光学引擎的体积，并有效缓解色分离问题。通过上述技术创新，本文致力于推动 LCoS 技术在增强现实领域的性能提升与应用拓展。

分区照明硅基液晶显示系统

图 1 (a) 展示了一套采用全域照明方案的简化硅基液晶（LCoS）光学引擎，其组成部分包括光源、LCoS 显示面板、偏振分光棱镜（PBS）立方体以及投影成像模块。在该结构中，即便投影画面（例如一个箭头图案）仅需占用 LCoS 面板的一小部分像素，整个面板仍会被完全照亮，不受显示内容的影响。这就导致在显示深色内容时，大量光线会被吸收或浪费，进而造成较高的功耗。传统上，LCoS 系统的全域照明方案均采用单颗红绿蓝（RGB）发光二极管（LED）作为光源。

相比之下，图 1 (b) 呈现了分区照明技术的核心设计理念。针对与图 1 (a) 相同的目标画面，该方案仅会激活光源的特定区域。此技术不再为每种颜色配置单颗 RGB LED，而是采用微型发光二极管（mini-LED）阵列作为光源。该 LED 阵列的每个分区都集成了红、绿、蓝三色微型 LED，且每个分区均与 LCoS 面板的对应区域精准映射。这种结构设计使得 LED 阵列可充当一块低分辨率显示屏，每个分区均可独立完成调制。除了基础的开关调制外，技术人员还能调节每个分区的亮度或灰度等级，以此提升画面的位深。

综上，分区照明技术不仅可通过关闭或调暗部分微型 LED 分区来降低功耗，还能有效提升整个 LCoS 光学引擎及增强现实眼镜的动态范围与时序对比度。

图1：(a) 传统全域照明式硅基液晶（LCoS）与 (b) 分区照明式硅基液晶（LCoS）的简化示意图

图1｜相关论文

图 2（a）与图 2（b）分别展示了全域照明式和分区照明式硅基液晶（LCoS）引擎的简化展开式光学设计。该设计包含两大核心组件：（1）位于面板前方的照明系统，以绿色标注；（2）处于面板之后、光波导输入端之前的投影光学系统，以粉色标注。尽管全域照明与分区照明的投影光学系统布局相近，但如图 2（b）所示，分区照明结构采用了独特的光源 —— 既可为迷你发光二极管阵列，也可为微型发光二极管阵列，且该光源支持红、绿、蓝三基色独立控制。这一设计可通过两种方式实现：一是采用单片集成式红绿蓝微型发光二极管阵列，二是将三组单色微型发光二极管阵列与合色棱镜组合使用。此外，分区照明方案需在发光二极管阵列与硅基液晶面板之间配置中继透镜，以通过合适的放大倍率实现 1:1 的成像映射。该结构能确保每个发光二极管分区均与硅基液晶面板的特定区域精准对应，从而实现对分区照明的精准调控。值得注意的是，图 2 呈现的虽是展开式设计方案，而实际的硅基液晶系统会集成偏振分束器与反射镜，以此实现更紧凑的结构尺寸。

图2:

(a) 全域照明光学布局

(b) 分区照明光学布局。

图 (a) 与图 (b) 均采用展开式简化光路设计。

图2｜相关论文

与硅基液晶（LCoS）系统中传统的全域照明方案相比，分区照明式硅基液晶技术具备两项显著优势：

（1）减轻 “灰框” 伪影问题

（2）在保持同等亮度水平的前提下降低功耗。

图 3 (a) 展示了硅基液晶增强现实眼镜中出现的灰框效应，该现象是硅基液晶技术本身对比度偏低这一固有特性所导致的结果。在硅基液晶光学引擎内，暗态的实现是依靠偏振技术完成的，具体方式为采用正交偏振片。但这种方法会产生漏光现象，无法实现理想的 “纯黑态”。在光线较暗的环境（如室内）中使用增强现实眼镜时，这种灰框效应会表现得尤为明显。采用全域照明方案时，如图 3 (a) 所示，灰框的范围会覆盖整个投影面板，与显示内容无关；且当画面内容占空比较低时，灰框现象会更加突出。

通过采用发光二极管（LED）阵列替代单颗红绿蓝（RGB）发光二极管作为照明光源，能够对特定区域的光线进行调制或完全关闭。尽管这种方法无法实现像素级的亮度调控，但对于各类实际应用场景而言，仍可显著提升画面对比度。如图 3 (b) 所示，分区照明方案仅会点亮需要显示界面的区域，使背景区域达到真正的通透效果，同时节省这些区域的功耗。

图3:

(a) 全域照明式硅基液晶（LCoS）因对比度偏低产生的 “灰框” 效应示意图

(b) 分区照明式硅基液晶（LCoS）的 “灰框” 缩小效果示意图

图3｜相关论文

分区照明式硅基液晶（LCoS）技术的另一项显著优势，在于其具备可观的节能潜力。在该结构中，LED 阵列与 LCoS 面板直接实现区域映射，面板会被划分成多个分区，分区数量与 LED 像素数保持一致，且每个分区的照明状态均可独立调控。LED 阵列在此相当于一块低分辨率显示屏，可实现两项核心功能：其一，对每个 LED 分区进行完全点亮或关闭的操控；其二，对各颜色通道的照明灰度等级进行调节。这种灵活的调控方式不仅能提升对比度，还能助力系统实现高能效表现。

分区照明技术的节能效果受两大核心因素影响：

（1）增强现实（AR）的显示画面内容

（2）照明分区的数量。

AR 眼镜的设计初衷，是让投影内容与真实环境实现叠加或融合，因此其显示的核心内容通常为稀疏的图像与视频，这类内容的 ** 像素点亮率（OPR）** 普遍较低。这意味着 AR 眼镜投影时，显示面板的大部分区域会呈现黑色或透明状态。在这类场景下，分区照明技术的节能优势尤为突出 —— 可直接关闭或调暗未被使用的分区。与之相对，即便显示画面以单一颜色为主、像素点亮率较高，也可通过关闭或调暗其他颜色通道的 LED 来实现节能。图 3 (c) 展示了在 x、y 方向分区数量相等的条件下，不同分区数量对应的归一化节能率。对于目标测试画面而言，当分区数量超过 100 时，系统节能率可达到 70% 以上。

图4:

(a) 单目硅基液晶（LCoS）原型机，集成分区照明式硅基液晶光学引擎与反射式光波导

(b) 微型发光二极管（mini-LED）面板，通过点亮全部微型发光二极管模拟全域照明模式

(e) 全域照明模式下经光波导传输的输出图像

(f) 分区照明模式下经光波导传输的输出图像。实测数据显示，分区照明模式的功耗仅为全域照明模式的 16%。

图4｜相关论文

图 4 展示了单目分区照明式硅基液晶（LCoS）增强现实眼镜及其性能特征。在图 4 (b) 中，所有照明分区均处于激活状态，以此模拟全域照明式硅基液晶的工作模式，为后续对比提供基准参照。图 4 (c) 呈现了目标画面对应的照明图案，直观体现出分区照明技术带来的成像质量提升。在采用同款 LED 光源的前提下，通过仅选择性激活所需分区，系统的功耗仅为全域照明模式下的 16%。这一结果充分证明，分区照明技术能够在大幅降低功耗的同时优化成像质量，兼具高效性与实用性。

超小像素尺寸铁电硅基液晶技术

除了采用分区照明式硅基液晶（LCoS）系统以降低功耗、提升对比度外，本文还提出采用铁电硅基液晶（FLCoS）技术，解决器件体积缩减与色分离伪影抑制两大问题。相较于传统向列型硅基液晶，铁电硅基液晶具备两项核心优势：

（1）可实现更小的像素尺寸

（2）响应速度提升10 倍，能够有效抑制色分离伪影。

硅基液晶的最小像素尺寸主要受边缘场效应限制，该效应会引发相邻像素间的信号串扰。图 5 (a) 与图 5 (b) 分别展示了向列型液晶硅基液晶和铁电型液晶硅基液晶的边缘场效应。铁电硅基液晶的边缘场效应显著弱于前者，因此可实现硅基液晶面板像素尺寸的微缩。图 5 (c) 展示了一款像素尺寸为 1.5 微米的硅基液晶原型器件，其像素尺寸较市售传统硅基液晶缩小了两倍以上。在像素总数相同的情况下，像素尺寸的缩减可实现面板小型化，进而使光学引擎的结构形态更为紧凑。

铁电液晶在硅基液晶中的另一项优势，是其10 倍速的响应速度，这一特性可显著提升成像质量。在基于硅基液晶的增强现实眼镜中，存在两类主要的成像伪影：图像模糊与色分离。图像模糊的程度与画面余辉时长或帧率相关，缩短余辉时长、提高帧率有助于缓解该问题。而色分离则受各颜色子帧时长的影响，子帧时长涵盖了单颜色 LED 的点亮总时长与插黑时间。

图 6 (a) 与图 6 (b) 展示了向列型硅基液晶的两种工作模式，这两种模式的颜色子帧时长均较长（约占显示帧时长的三分之一）。其中，图 6 (a) 对应长余辉模式，图 6 (b) 对应短余辉模式。长余辉模式下，图像模糊与色分离现象均十分显著，如图 6 (d) 所示。此外，若不在不同颜色之间插入黑帧，向列型液晶较慢的响应速度会导致颜色串扰或混色，如图 6 (a) 所示。图 6 (b) 所示的插黑模式虽能缓解颜色串扰、抑制图像模糊，但色分离伪影仍会存在。

图 6 (c) 展示了本文提出的铁电硅基液晶工作模式 —— 短余辉 + 最小插黑模式。短余辉特性有助于减轻图像模糊；同时，得益于 10 倍速的响应速度，铁电硅基液晶可在最小插黑的条件下工作，相较于同等帧率下的向列型硅基液晶，其色分离伪影更少。

图5:

(a) 向列型液晶基硅基液晶（LCoS）与 (b) 铁电型液晶基硅基液晶（LCoS）的边缘场效应示意图

(d) 局部放大图，呈现 5 微米方格与 1.5 微米棋盘格图案

图5｜相关论文

图6:展示了单帧内不同色序驱动模式的时序图：

(a) 长余辉 + 短插黑（近乎无插黑）模式

(b) 短余辉 + 长插黑模式

图6｜相关论文

总结

本文围绕面向增强现实（AR）应用的硅基液晶（LCoS）技术创新展开研究，重点提出分区照明技术与铁电硅基液晶（FLCoS）技术两大方案，以解决该技术现存的痛点问题。传统硅基液晶系统虽具备技术成熟、性价比高的优势，但存在功耗偏高、对比度不足以及色分离伪影等缺陷。

针对上述问题，本文提出一种分区照明方案：通过选择性激活 LED 阵列的特定分区，仅对显示所需区域进行照明，从而显著降低系统功耗，同时提升显示对比度。该方法不仅能够节约能耗，还可通过减轻 “灰框” 效应优化成像质量，相关性能已通过一款单目分区照明式硅基液晶原型机得到验证。

此外，本文还引入了铁电硅基液晶技术，相较于传统向列型硅基液晶，该技术可实现更小的像素尺寸，且响应速度提升 10 倍以上。这项技术突破有助于缩减光学引擎的结构体积，并有效抑制色分离伪影。本文展示的原型器件像素尺寸达到 1.5 微米，可支持更紧凑的设备设计；同时，铁电硅基液晶更快的响应速度，能够同时缓解图像模糊与色分离两类伪影问题。

综上，这些硅基液晶技术创新在功耗效率、成像质量与设备紧凑性三个维度实现了显著提升，为下一代增强现实应用的发展提供了有力支撑。

致谢

感谢Junhan Han、Brian Wheelwright 以及 Wai Sze Tiffany Lam三位同仁，为本文相关研究提供的有益讨论与启发。

参考文献

作者

Fenglin Peng

Yung-Yu Hsu

Thomas Charisoulis

Zhaoning Yu

Ziqian He

Robert Upton

Yun Wang

Ying Geng

资讯来源

2025 年由国际光学工程学会（SPIE）出版