适用于消费级 AR 应用的紧凑且可扩展的激光扫描架构

J. Reitterer¹ M. Dorfmeister-Ohnewas¹ S. Luque¹ A. S. Prasad¹ A. Anderle¹ M. Schöffmann¹

¹ TriLite Technologies GmbH, Vienna, Austria

1. 引言 (INTRODUCTION)

具有常规眼镜外形的 AR 眼镜有望改变日常的人机交互，从专门的工业用例转向无处不在的个人计算平台。结合了 人工智能 (AI) 的增强型智能眼镜可提供导航、翻译、物体识别和上下文信息叠加的实时视觉辅助，从根本上改变了用户全天获取信息的方式。

免手持操作 (Hands-free operation) 在运动场景中被证明具有独特价值，AR 眼镜可以在不分散运动员注意力的情况下提供表现指标和教练反馈。在办公环境中，AR 眼镜使专业人员能够访问参考资料、通过空间注释进行远程协作，并在制造、医疗、现场服务或知识工作等领域保持工作流的连续性，同时腾出双手执行主要任务。

将 AR 技术缩小到眼镜级外形是主流普及的关键门槛，因为在尺寸、重量和外观上与传统眼镜相匹配的设备，可以消除此前头戴式计算尝试中所面临的社交和人体工程学障碍。

消费级 AR 显示器的开发需要能够平衡性能、功耗效率和外形约束的光学架构。采用单模激光二极管 (LD) 光源的 LBS 系统 为这些多方面挑战提供了极具竞争力的解决方案，相比传统的 发光二极管 (LED) 显示技术具有显著优势。

单模 LD 的根本优势在于其低扩展度 (low étendue) 特性，这直接使 LBS 系统实现更紧凑的光学设计。与 LED 等扩展光源不同，单模 LD 从极小的发射表面在一个紧密受限的发射锥内发光，这自然契合典型 LBS 光学架构的要求。这消除了对笨重光学器件的需求，并减小了系统整体体积——这对于尺寸和重量直接影响用户舒适度和采用率的头戴式设备至关重要。

功耗效率 是激光光源的另一个决定性优势。这些光源提供的插座效率 (wall-plug efficiencies, WPE) 大幅超过了其他发射器技术。与传统 LED 相比，单模 LD 实现了五倍以上的 WPE；在考虑与实际光学系统设计兼容的发射锥时，其 WPE 更是达到了 mLED 阵列的十倍以上。这种能量转换效率的巨大提升直接转化为更长的电池续航和更低的热管理要求——这两点对于无需连接线的消费级 AR 设备都至关重要。

激光发射的固有特性提供了超越几何和能源考虑的额外系统级优势。LD (激光二极管) 的偏振、窄带宽光特性使基于 WG (波导) 的显示架构能够实现根本性的卓越性能。保偏发射 (Polarization-preserving emission) 允许与波导结构实现更高的耦合效率，并有助于实现偏振选择性光学元件，而这些元件对于非偏振光源是无效的。此外，LD 的窄光谱发射实现了扩展的色域，可达到 sRGB 标准的 200% 以上，提供显著超过宽光谱发射器能力的鲜艳色彩再现。

激光的这些独特特性使 LBS (激光束扫描) 架构在与下一代显示技术集成时处于有利地位。激光的相干、偏振性质特别适用于新兴的光学设计，包括超表面结构 (metasurface structures)、衍射光学元件 (DOE)、偏振光学器件和陷波滤波器。此类先进的光学组件有望在保持或提高光学性能的同时，进一步缩小外形尺寸。

LBS 相比于 mLED 和 LCoS 等基于面板的显示技术的另一个优势是，当用于波导系统时，它能固有地抑制鬼影 (ghost images)。在这些系统中，鬼影是由波导输入耦合器反射回 mLED 和 LCoS 面板的高反射表面引起的。在 LBS 系统中，反射光传回光学 LBS 系统的几何约束，结合单模边发射 LD 前端面的典型减反射或低反射涂层，自然地消除了本会产生二次图像的不必要光路。这种固有的鬼影抑制降低了光学设计的复杂性，并在不需要倾斜整个光机或增加额外补偿元件的情况下，提高了对比度和图像保真度。

总而言之，这些优势确立了基于单模 LD 的 LBS 系统作为消费级 AR 显示器领先候选架构的地位。紧凑的外形、卓越的功耗效率、优异的色彩表现以及对先进光学设计的兼容性，共同解决了大规模推广 AR 面临的最紧迫挑战。

2. 紧凑且可扩展的 TRIXEL® 3 CUBE LBS 架构

传统的 LBS 架构在独立的密封封装中使用离散的红、绿、蓝 LD，每种波长的光通过专用的准直光学器件形成定义良好、低发散的光束。这些准直后的单色光束随后通过光束合成光学器件 (beam combination optics)——通常是二向色滤光镜和/或反射镜，旨在将三种波长合并为同轴输出光束，同时保持光束质量并最小化光学损失。

合成后的 RGB 光束随后入射到 MEMS (微机电系统) 扫描镜上，该扫描镜能够进行快速的双轴角度偏转，从而系统地引导光束穿过显示器的视场 (FOV)。单个像素是通过与扫描镜位置同步的 LD 强度时间多路调制 (time-multiplexed modulation) 产生的，实际上是沿着 Lissajous (利萨茹) 或逐行扫描轨迹“绘出”图像。在利萨茹扫描情况下，MEMS 镜以双谐振方式运行（即两轴均以扫描镜的谐振频率进行正弦运动）；在逐行扫描情况下，一轴在谐振频率下振荡，正交轴则提供线性运动。这种顺序像素生成方法利用了 LD 的高调制带宽和 MEMS 执行器的快速旋转，无需像素化发射器阵列或空间光调制器即可构建全彩色、高分辨率图像。

在所提出的新型紧凑且可扩展的 Trixel® 3 Cube LBS 架构中，光束合成和光束准直的顺序被反转了，即红、绿、蓝激光束先进行合成，然后仅使用单个准直透镜进行准直。这有效地简化了光学架构，同时优化了可制造性，因为与传统架构中需要三个或更多步骤相比，现在仅需要一个主动透镜对准步骤。

Trixel® 3 Cube LBS 架构生产设计的指标总结在表 1 中。光学架构的简化，结合尖端的超紧凑 RGB 激光模块和 2D MEMS 镜，实现了一个总目标体积仅约为 0.8 cm³ 的超紧凑 LBS 系统，同时提供 ≥ 40° 的大视场和高达 15 lm 的高光通量。由于单模 LD 的高 WPE，对于典型的 AR 使用场景（平均图像电平 APL 为 20%，光通量为 5 lm），功耗仅为 145 mW。

在 AR 系统数字主机控制器上运行的控制软件栈 (control software stack) 代表了一种新型的系统架构，旨在通过软件补偿残余的光机失配 (optomechanical misalignments)，而不是依赖严苛的制造公差，从而降低硬件复杂性。这种软件定义显示 (software-defined display) 方法的核心是专利拥有的轨迹控制模块 (Trajectory Control Module, TCM)，它采用实时动态校正算法，在运行过程中预测并调整单个像素的位置和亮度。

这种软件驱动的补偿策略允许在组装过程中使用更宽松的机械公差，在保持高图像质量的同时显著降低了制造核心成本和复杂性。与依赖固定物理像素网格的传统显示技术不同，LBS 系统完全通过软件定义像素位置，TCM 算法在扫描过程中动态确定每个像素的精确空间位置和时序。TCM 利用了主机 SoC (system-on-chip) 的尖端计算资源，通过完全优化的算法将处理开销和系统延迟降至最低。

该架构在设计时将可扩展性 (scalability) 作为首要考虑因素，确保与消费级 AR 应用所需的大规模制造流程兼容。所有组成元件——包括 LD (激光二极管)、光学组件和 MEMS 扫描镜——均采用已确立的、可量产的技术，并具有成熟的供应链。组装程序经过精心设计，旨在最大限度地利用标准的高产量生产设备，最大限度地减少对专用工具或定制制造工艺的需求，从而实现快速的产能扩展以满足消费市场需求。

这一创新架构已通过图 2(a) 所示的 Trixel® 3 Cube 工程样品成功得到验证。在仅 1.0 $cm^3$ 的体积内（尺寸为 $10 \times 10 \times 10$ $mm^3$），集成了以下组件：红、绿、蓝 LD、光束合成光学器件、光束准直光学器件、2D MEMS 扫描镜、MEMS 控制电子器件、光电二极管 (photodiode)、用于提供电气接口的微型板对板连接器 (micro board-to-board connector)。同时，该工程样品版本提供的视场角 FOV $\ge 30^\circ$。

除了系统的紧凑外形、高光通量和低功耗之外，该创新架构还提供了额外的独特优势。如图 1(b) 所示，该架构实现了直接波导（WG）耦合，即 LBS 可以尽可能靠近 WG 的**输入耦合器（IC）**放置，而无需在 MEMS 扫描镜和 IC 之间添加任何额外的光学器件。这进一步简化了光学系统架构，提高了光学效率，并消除了额外光学元件可能给扫描离轴光束带来的光学畸变。

第 1 节中提到的固有鬼影抑制 (ghost image suppression) 可以在不倾斜 LBS 的情况下实现。基于面板的显示技术（如 mLED 和 LCoS）天生容易产生鬼影。这类系统中常用的抑制鬼影的方法是让整个光机相对于 IC 产生一个角度偏移（倾斜），这在将显示器集成到眼镜框时会增加整体的有效体积。通过避免任何倾斜，本文提出的架构相比现有技术具有明显的优势。

此外，新型 LBS 架构可以轻松调整以适应应用所需的前倾角 (pantoscopic tilt) 和面弯角 (face wrap angle)——同样无需旋转整个光机，因此不会增加有效体积。为了实现这一点，只需旋转 LBS 内部的 MEMS 镜芯片（die）来调整系统的中心射线 (gut ray)。

对于典型 AR 应用的光通量和 APL 要求，仅通过眼镜框架进行被动热管理即可，即不需要额外的散热元件。

红、绿、蓝激光束本质上是线偏振的。配合相应的波片，可以实现任何所需的输出偏振态。这对于匹配 WG IC 结构的偏振方向特别有利，从而优化系统级效率，相比来自 LED 光源的非偏振光提供了额外的效率优势。

如图 2(a) 所示，输出孔径相对于立方体的前脸是对称居中的。这种对称设计使得 LBS 可以同时用于双目 AR 眼镜系统的左眼和右眼配置，简化了制造和集成。

3. AR 眼镜集成 (AR GLASSES INTEGRATION)

采用长方体形状的一个关键动机是最小化 LBS 在 $z$ 轴方向的尺寸，以便使铰链 (hinge) 位置靠近放置波导（WG）的 AR 眼镜镜片。图 3 展示了一个 AR 眼镜参考设计，其集成了第 2 节中介绍的、总体积为 1.0 $cm^3$ 的 Trixel® 3 Cube 工程样品，且镜腿可完全折叠。

在这种配置下，铰链距离为 $d_H = 15$ mm。对于包含优化眼镜框设计的 0.8 $cm^3$ 目标生产体积（参见表 1），目标铰链距离为 $d_H \approx 11$ mm。

4. 总结与展望 (SUMMARY AND OUTLOOK)

由于单模 LD (激光二极管) 光源的固有特性，LBS (激光束扫描) 技术在 AR 显示器领域相比基于 LED 的光机具有根本性的优势。激光发射的小扩展度 (étendue) 使得光机设计能够显著实现小型化，而在系统兼容的发射锥内的高 WPE (能量转换效率) 则降低了功耗和热管理要求。与非偏振光源相比，偏振激光在 WG (波导) 系统中可以实现更高的耦合效率，且 LD 的窄光谱带宽使其色域能够超越传统显示技术。

利用这些优势，我们开发了一种新型立方体形状的 LBS 架构，实现了约 0.8 $cm^3$ 的目标体积，从而能够集成到 AR 眼镜框架中，使眼镜铰链距离镜片的位置仅为 11 mm——这一外形尺寸与传统眼镜的美学相兼容。该架构在设计时专门考虑了量产需求，采用了适用于消费级规模生产的可制造组件和组装工艺。

这种新型架构为下一代 AR 显示系统提供了高度的可扩展性 (scalability)，为跨多个技术维度的持续性能提升建立了一个平台。未来的迭代版本将通过引入每个颜色通道多个发射器、具有更宽 FOV (视场角) 的下一代 MEMS 扫描镜以及下一代激光源，实现所有关键性能指标（包括分辨率、视场角和功耗）的同步提升。与此同时，通过先进的光学集成和组件微缩化，还能“反直觉”地将系统总体积进一步降低至 0.5 $cm^3$ 以下。

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