激光显示器：XR 和 AR 联盟 LDAR 计划的下一个飞跃

过去十年间，显示技术发生了革命性的变化，这主要得益于智能手机的迅猛发展和扩展现实（XR）技术的兴起——XR涵盖了虚拟现实（VR）和增强现实（AR）。这一进步以及XR设备的演进，为XR显示领域的从业者指明了方向：打造轻便、易于佩戴、适合全天候使用的眼镜，将数字世界与现实世界无缝融合，并由人工智能和直观的人机交互界面驱动。

实现这一目标将确保用户随时随地不受限制地访问计算资源，从而解决一个重大难题。

这一愿景也将定义XR技术的下一阶段发展，需要新型先进光子技术、创新工程和行业协作的融合。增强

现实联盟及其新成立的激光显示增强现实（LDAR）工作组正在应对这一挑战。LDAR正在明确技术和商业方面的深层难题，并携手解决这些难题，以加速下一代XR显示器的发展。了解行业面临的技术和业务挑战是制定旨在解决这些挑战的战略计划的第一步。

本文概述了所需要素，并解释了为什么 LDAR 是制定和执行战略的最佳途径。

VR显示器：进展与痛点

如今的 VR 头显依赖于紧凑的塑料模压成型的扁平光学元件，这些元件通过偏振操控折叠光路以最大限度地减少体积。成像器已从偏振 LCD 面板过渡到非偏振微型 OLED 面板，后者可提供更小的像素以缩小尺寸，但代价是效率和成本的增加，从而限制了其广泛应用。与此同时，现有头显仍然过于笨重且佩戴不舒适，难以推动未来的显著增长。缩小显示屏尺寸并提高效率以减少发热对于提高用户接受度和持续使用至关重要。

自由曲面超结构（或称超结构）展示了非平面、复杂的光子结构如何能够实现实用的轻型器件——尽管商业化应用仍然面临挑战。图片由罗切斯特大学提供。

以Meta公司Holocake原型为代表的行业创新，预示着未来显示和光学元件将融合于单一轻便的头戴式显示器之中。Holocake原型采用平面偏振敏感的Pancharatnam-Berry相位（PBP）透镜和窄带偏振激光照明液晶显示器（LCD）。

与此同时，学术界的突破，例如罗切斯特大学科学家们研发的自由曲面超结构（metaforms），也证明了非平面复杂光子结构的物理可行性，并有望朝着同一方向发展，尽管商业实用性仍面临挑战。在这两个例子中，激光技术使得

PBP透镜和超结构等光学元件能够在不产生色散伪影的情况下得到优化。

时尚与功能的挑战：

增强现实（AR）显示器面临的挑战更大；眼镜必须舒适、时尚且不引人注目——这些特质对于获得社会认可至关重要。历史表明，当一项技术的实用性毋庸置疑时，它就能成为一种时尚宣言，耳机的演变就是一个例证。随着制造工艺和功率效率的提升，AR产品正逐渐转向衍射波导技术，最初采用LED照明的硅基液晶（LCoS）成像器，现在则采用微型LED。然而，LCoS在小视场、全彩应用中表现尤为出色，它利用色彩序列时域技术，仅需单个成像器和透镜即可实现成像。光子照明方法可以显著缩小这些成像器的尺寸。

该图展示了超构体如何利用宽带激光源和激光光学器件进行运作。图片由罗切斯特大学提供（上图）。该技术依赖于人眼感知。图片由《Science》（www.doi.org/10.112/sciadv.abe5112）经Daniel Nikolov提供（下图）。

相比之下，微型LED通常需要三个成像器，但允许对像素进行亮度控制，从而解决大视场波导中常见的亮度不均匀问题。目前，单RGB成像器的研究正在进行中，但这些器件会增加制造复杂性并大幅降低器件的整体效率。

技术难题：

尽管取得了进展，但当前的AR架构远非完美。衍射波导存在微型LED反射引起的重影、效率低下、亮度不均匀、外部光线造成的彩虹效应以及显示屏漏光导致的隐私问题等问题。此外，这些系统需要准直光输入和输出，因此需要额外的推挽式光学元件，这会增加成本和重量，才能将数字图像定位在受限的像平面上（在最佳平均使用情况下，大约在手臂长度范围内）。遗憾的是，固定的像平面会导致辐辏/调节不匹配，使得无法将数字世界叠加到现实世界上。此外，可变透镜会增加重量和功耗，超出可接受的范围。

提高显示信噪比：

基于激光的显示器为解决阻碍增强现实（AR）显示器发展的诸多挑战提供了一种极具吸引力的方案。通过缩小光谱输出范围并控制偏振，激光能够实现精密的调谐光学系统，从而最大限度地提高显示光与真实世界光之间的区分度。

这种“显示信噪比”至关重要。真实世界光大多是非偏振的宽带光，而AR的目标是提供与人眼完美分离、几乎无法区分且高效的显示光。激光通过实现最大程度的透明度、社交情境和图像质量，使这一切成为可能。

人眼对三种不同类型镜片的感知，其中包括 Meta 公司的 Holocake 镜片。Holocake 原型采用平面偏振敏感的 Pancharatnam-Berry 相位 (PBP) 镜片和窄带偏振激光照明液晶显示屏。图片由 Meta Reality Labs 提供。

解决增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示技术改进难题是一个多方面、多层次的过程。它需要理解AR架构，验证各种组件的物理特性以证明其有效性，开发完全商业兼容的技术，构建供应链，设计产品，最终实现生产制造。 通常，这条供应链是由各个公司默默构建的，他们试图建立自己的合作伙伴生态系统来实现最终目标。例如，在产品迭代发展、风险较低的成熟行业中，这种方式可能行之有效。

对于增强现实（AR）而言，几乎所有技术都堪称前沿创新，产品成果仍处于早期阶段，充满不确定性。通常情况下，这会导致进展缓慢，或者促使各方转向更开放的合作和风险共担。AR联盟的成立旨在解决这些问题，并构建协作模式以应对AR领域最大的产业挑战。去年成立的激光显示增强现实（LDAR）工作组致力于推动AR激光显示技术的发展。LDAR的使命是推进所有激光显示技术，建立关键架构路径，并在子系统和组件层面定义技术需求。这种方法能够实现可靠的系统级演示和物理价值评估，从而推动商业应用。

LDAR致力于推进这些技术的发展，提供激光器和光子组件持续改进的途径，最终实现真正的AR目标。通过合作，各公司分担成本和风险，从而更快地将解决方案推向消费者，并支持供应链的进一步发展。LDAR的成员包括主要系统公司、激光器制造商、LCoS和MEMS成像器供应商、光子学公司、波导和材料供应商以及学术机构。目前已成立四个委员会：系统架构委员会、波导兼容性委员会、激光/驱动器及封装委员会以及运营委员会（包括知识产权、安全、系统评估和市场营销）。随着组织的壮大，未来可能会增设更多委员会以应对不断涌现的需求。

演进之后，革命即将到来。

首批商用激光XR产品很可能是现有平台演进式的衍生产品。对于AR而言，这意味着衍射波导和微型LED可能会被激光兼容波导与激光显示引擎相结合所取代。激光照明的LCoS

为高内容、小视场角系统提供了一种紧凑、高效且亮度极高的解决方案。如果紧凑型区域照明技术取得成功，该技术有望扩展到需要波导均匀性校正的大视场角应用。同时，由于能够直接控制像素强度，激光束扫描技术可以在显示器尺寸增大时保持亮度和最小尺寸，并在不损失效率的情况下解决不均匀性问题。

无论哪种情况，窄光谱和单一偏振态都能校正重影并进行光谱滤波，从而提高隐私保护和社会接受度（前提是开发出比传统介质薄膜滤波器具有更低角度灵敏度的合适光子结构）。这将最大限度地提高显示器的信噪比，使显示效率更高，并且眼镜几乎完全透明。

Meta公司首席执行官马克·扎克伯格佩戴着该公司研发的Holocake原型设备。图片由Meta公司提供。

最终，AR 显示器必须超越基于波导的系统，转向支持显示器调节、提升效率和图像质量的解决方案。这将需要平台转型——与其说是演进，不如说是革命。因此，LDAR 将促进合作，以推动更多激光显示技术的应用，例如可控视网膜投影、全息技术和光子束成形显示。当然，这些技术也带来了新的要求，包括严格的眼动追踪、光束控制、离轴像差校正，以及应对高昂的功耗、延迟和封装限制。

原文：https://www.photonics.com/Articles/Laser-Displays-The-Next-Leap-for-XR-and-the-AR/p5/a71868