作者：刘力铭

介绍：新南威尔士大学，微纳光学博士。

AR 眼镜，作为下一代显示平台和计算平台，以及 AI 入口，是最有可能取代手机的形态。

在 AR 眼镜中，显示是最核心，以及最具有创新性和想象力的模组。

整个 AR 显示模组，包含两大部分：具有微显示屏的光机，以及光学融合镜片。光学镜片经过 20 多年的迭代，路线已经比较收敛，主要以波导形态为主。光机层面，基于 LCOS 和 MicroLED 的显示技术，是行业主流的方案。

从发光原理和光学架构来看，MicroLED 是自发光、无机材料体系，具有高亮度、高对比度、高寿命、光路简单等优势，这让它成为了大家心目中的 " 终极方案 "。但 MicroLED 的量产难度却非常大，尤其是全彩的 MicroLED 光机，量产挑战巨大。通过 X-cube 棱镜合光方案，对准精度需要达到像素级，甚至亚像素级，这对工艺和良率都是巨大挑战。而单片三色 MicroLED 方案，距离量产就更远。

图片：LED 工作原理，以及实现全彩 Micro-LED 的几种方式，其中 ( e ) 采用的合色棱镜是当前主流方式， ( f ) 单片集成三色还处于早期研发阶段。

图片：拆机显示 Meta Ray-Ban Display AR 眼镜采用了 LCOS 光机。

正因如此，Meta 在 9 月份发布的 AR 眼镜，还是选择了更加成熟稳妥的 LCOS 光机路线。基于 LCOS 的全彩光机在当前以及可见未来，仍是最成熟、最具可实现性的选择。

而且，LCOS 本身也在不断迭代，其中最重要的突破方向之一，就是将传统 LED 光源替换为三色激光光源。

图片：激光光源用于 LCOS，以及常规几何光学元件光路示意图。

理论上，激光光源与 LCOS 搭配，是天然的绝配。

我们先从光源侧展开，再从图像调制侧展开。

激光，相对于普通的光，比如 LED，物理本质的差异主要有光谱带宽、偏振、相干性。

而围绕这三个特性，在光学显示性能方面，直接与亮度、色域、功耗和体积等显性指标密切相关。

首先，我们先从这三个基本性质了解激光。

光，其实是电磁波，只不过位于可见光波段，与微波炉用的微波，没有物理本质区别。

光作为电磁波，并不是一个单独的波长，而是有一个光谱带宽。

LED 的带宽比较宽，通常在 ~30 nm，比如绿光 LED，其典型的发光光谱大致在 520 nm±15 nm 的范围。而激光的带宽就非常窄，可以达到 ~2nm，有的甚至可达到 0.1 nm 以内。

图片：激光光源和 LED 发射光谱对比。

偏振，是指电磁波的电场指向。简单理解，电磁场是一个矢量，具有大小和方向。

而偏振，就是电场的方向。电场方向垂直于入射面，叫 S 光；平行于入射面，叫 P 光。

这就是大家经常听到的 S 和 P 光。LED 的偏振是随机分布，而激光的偏振态，是有固定取向的，比如 TE、TM 模式，可以对应于 S 或者 P 偏振。

相干性，则是指在时间和空间上保持与原来光源一致的特性。

比如空间相干性，是指经过相当长的传输距离，光源的偏振态等特性还能保持一致。

这种相干性，在很多场景非常重要，比如通过分光，不同路径最终还可以进行相干叠加，产生明暗相间的干涉条纹。对于很多高精密的测量系统，就需要具有高度相干性的激光作为测量光源，这就是干涉仪。比如，在 EUV 的测量系统里，就需要用这种方式实现纳米甚至皮米级的测量精度。

如果用一句话来总结激光与其他光源的差异，就是：激光非常 " 一致 "，非常 " 聚焦 "。

激光里面的所有光都是步调一致，频率一致，电场方向一致，对应上面的窄带宽与固定偏振。相干性，就是在时间和空间的维度，还能保持一致的特性。

激光的 " 一致 " 和 " 聚焦 "，带来最大的效应，就是在很小的空间，具有很高的能量密度。

正如很多成功学都说，要像激光一样聚焦。

这也是为什么激光会是一种战略武器。在大能量应用场景，有激光武器、激光切割、甚至核聚变点火装置；在中小能量应用场景，有光通信、激光雷达，以及激光显示。

正是这些物理本质的特性，当激光用于显示，相对于其他光源，有非常特别的优势。

其次，在显示层面，激光光源的优势也是非常明显的。

激光光源的发光面积小、发散角小、耦合效率高、准直损耗低；而 LED 则存在宽带谱、非偏振、高发散等限制，使得有效利用率低得多。基于激光光源的系统，通常比 LED 系统获得的亮度更高。

在实际光引擎中，激光光源的出射亮度可达 1000 – 2000 cd/mm²，甚至更高；

而 LED 光源通常在几十到数百 cd/mm² 的量级。这一数量级的差异，使得激光在同等体积内可实现更高的系统亮度。

在 2C 家用投影仪里，这两者的性能差异，市场已经给出了答案：

低端 LED 投影仪亮度通常在 500 – 800 ANSI 流明；

中端混合光源可达 1000 – 2000 ANSI 流明；

而高端三激光投影则轻松突破 3000 ANSI 流明。

高端的投影，比如很多电影院，主要是激光光源，调制器件有基于 DLP 和 LCOS 芯片的两种方案。随着豪威集团、华为海思进入 LCOS 芯片领域，德州仪器 TI 主导的 DLP 芯片市场，可能会逐渐被 LCOS 侵蚀。

最后，激光光源，除了了天然的亮度优势，还有宽色域的优势。

激光的光谱带宽很窄，这意味着颜色更加纯净，通过 RGB 三色合光，能够覆盖更加宽广的色域。例如激光显示覆盖的色域接近甚至超过 BT.2020 标准（>90%），而普通 LCD 通常只能覆盖 sRGB 或部分 P3。

简单来讲，BT.2020 类似一个大色盘，LCD 的显示颜色范围只能覆盖 ~70%，而激光能达到 90% 以上，甚至 100% 全覆盖。这也是为什么高端影院主要采用激光投影。

图片：激光色域覆盖 >90% 以上 Rec.2020（超高清电视国际标准）。

当然，从 AR 显示现阶段的需求来看，亮度的重要性要高过色域的宽广度。

宽广的色域，主要是在观影类场景中更为重要。

要显示图像，除了光源，还需要有产生图像的调制器。调制器简单来讲，就是非常微小的像素开关阵列。通过百万个像素开关的开和关，就可以拼成图像，而图像的连续运动，就是视频。

MicroLED 显示的调制器，是每个 MicroLED 灯背后的 CMOS 驱动。例如 Meta 眼镜的像素是 600×600，用 MicroLED 就需要有 36 万个像素发光，CMOS 驱动就是在控制哪些灯亮、哪些灯暗。MicroLED 屏幕的生产，简单来讲，先是一个灯（MicroLED）一个灯单独生长，然后巨量转移、规整放置在一起。

每个灯的尺寸大约在几微米级，要把几十万甚至上百万颗灯高效率、高一致性、高可靠性地严格对准 ( 比如几百纳米的对准精度 ) 地放在一起，非常具有挑战性。

这也是 MicroLED 一直存在的量产挑战。

这还只是一块单色屏幕。

图片：Micro-LED 巨量转移示意图。

要做成彩色，就需要三块这样的屏幕合起来，并且对准，难度成倍增加。

而 LCOS 投影，则是一个大光源（三色 LED 或三色激光合光），通过 LCOS 上的液晶分子进行明暗调控。虽然两者都是调制，但本质差异非常大。

LCOS 的像素，是通过 CMOS 工艺制成像素电极，去单独控制每一个液晶像素分子层。通过施加不同电压，使液晶分子有不同取向。液晶取向不同，会让光的透过率从 0 到 100% 调节。0 就是全暗，100% 就是全亮，中间就是灰阶。由于这些像素电极是一体式半导体工艺完成的，并不需要像 MicroLED 那样先生长再转移，LCOS 全彩量产难度低很多。

LCOS 实现全彩的方式，是用三颗 RGB 颜色的 LED 灯或激光作为照明。

其中关键有两部分：LCOS 负责光的偏振调制，PBS（偏振分束器）负责偏振光的筛选。

液晶对光的调制是通过偏振实现的。通常入射光是 S 光，通过 PBS 反射到 LCOS 面板。

面板对不同区域施加不同电压后，S 光会转变为 P 光。如果不施加电压，S 光保持不变；

如果施加满电压，S 光完全转为 P 光。PBS 具有高度的偏振选择性，反射 S 光，透过 P 光。这样，经过调制的光（图像）就会通过 PBS 进入投影光路，从而输出图像。

通过不同角度的液晶分子旋转，可以控制不同偏振成分，实现能量输出和灰度调制。

图片：LCOS 液晶分子偏振转换。

关键在于偏振控制。

由于 LED 光本身没有特定偏振态，所以需要在入射端加偏振片，这会直接损失一半能量。而使用激光光源，其出射偏振态可在激光器端控制，使能量利用率更高。

从光学设计角度来看，激光还有一个很重要的特性：准直性好，也就是发散角小。

光学系统的重要作用，就是对光的角度和形态进行控制。发出去的光，像泼出去的水一样，总是倾向于发散。激光的发散角可以小于 1°，而 LED 发散角通常达到几十度。

大的发散角需要更大的光学元件和系统尺寸去控制。所以激光的小发散角意味着所需的光学准直投影系统更小，能量集中度更高，杂散光更容易控制，最终体现为更高的图像对比度。

从上面的分析可以看出，激光的 " 一致 " 和 " 聚焦 " 特性，带来了更高亮度、更纯更宽广的颜色、更高的对比度，以及更紧凑的光学系统。

那激光这么好，是不是就没有缺点呢？任何技术都有自己的短板，激光也不例外。

激光显示系统中最重要的问题，就是散斑。

散斑的存在，正是因为激光太过 " 一致 "。激光具有很强的相干性，而任何表面都不是完美光滑。激光经过这些粗糙的微表面，在投影面相干叠加后，就会产生亮度不一致的散斑。相干叠加就像双缝干涉，会产生明暗相间的条纹。

散斑很难彻底消除，因为这是激光的物理本质所致。这成为制约激光 + LCOS 方案普及的关键挑战。而这一痛点，正是半导体激光光源领先企业光峰科技（688007.SH）的核心技术优势所在，光峰科技深耕半导体激光光源技术十多年，对于消除激光散斑早已是行业 NO.1 的存在。从光学同行得知，光峰科技还在高功率半导体激光器方面取得重大突破，可以针对 AR 眼镜的特定需求，对激光器实现针对不同功率的批量定制，这将是极大的竞争优势。

另外，在 AR 显示中，对散斑的容忍度相对更高。因为 AR 显示的真实应用场景，并不是为了观看电影，而是与现实融合显示。我们不需要完整显示整个画面，只需要在关键区域叠加关键信息即可。

在消费级投影仪市场，三激光 +LCOS 方案主要应用于高端市场，并已开始向中端市场渗透。在微投影的 AR 眼镜中，激光 +LCOS，理应成为一条极具竞争力的重要技术路径。

作为 ARVR 行业的带头大哥，Meta，通过一篇 Nature 论文，已经向大家展示了下下一代的近眼显示方案。

那就是 LCOS + 激光光源 + 光子器件。

这里的光子器件，就是用平面的集成光路，去替代自由空间的光路。

图片：Meta Nature 论文，激光 LCOS 显示架构，用 PIC 替换传统光路。

而这个方案的底层，还是激光光源，加 LCOS。

因为这二者从理论上就是天生绝配。