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一副眼镜塞下两台激光投影仪 | 微软HoloLens 2是怎么做到的

2020.02.01

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HoloLens 2 是微软于2019年发布的第二代AR眼镜,价格3500美金。HoloLens 2 上市后用户发现微软在眼镜内放置了两台“激光投影仪”!AR眼镜里为什么要放“激光投影仪”?是什么样的技术让微软在那么小的空间塞下两台激光投影仪?激光投影技术产业链是怎样的?今天,就通过这篇文章给大家做个分享。

使用HoloLens 2 进行团队合作,来自微软

AR眼镜的光学输出系统:光波导+光机

AR眼镜的结构由输入、输出、“计算/存储/通信”和电源共四部分构成,光学输出部分由光波导和微投影设备(业界简称光机)构成。如果把AR眼镜比作电脑的话,光机就是投影仪,而光波导则是投影幕布。

AR眼镜结构图,来自黑毛警长008

光波导可以理解为在玻璃上做出来的投影幕布,这块幕布的特别之处是它看起来是透明的,但同时还可以将投影仪投射的影像显示出来。也就是说透过这块光波导,用户不仅能够看到现实世界,还可以看到一个叠加的影像。用户看到的现实世界,被所叠加的影像“增强”了,这样就是AR(增强现实)名称的由来。

Hololens 2拆解图,来自微软,黑毛警长008标注

关于AR的结构和光波导,警长曾经写过一篇文章做过详细描述,需要补课的同学,可以点击链接

Hololens 2光机+光波导模组示意图,来自微软,黑毛警长008标注

光机分类:LCoS、DLP和LBS

光机本质上就是投影仪,只不过是体积比较小而已。投影技术主要有LCoS和DLP,早期还有LCD投影仪,但目前已经基本被淘汰。微投影技术,目前主要包括LCoS、DLP和LBS。下面我们对三种技术一一介绍。

LCoS投影原理,来自elecfans,黑毛警长标注

LCoS的全称是Liquid Crystal on Silicon,即硅基液晶。LCoS是一种用CMOS技术在硅基芯片上加工而成的液晶材料。LCoS使用外部白光作为光源,白光源被分色镜分为红绿蓝三原色,并分别投射于三块LCoS芯片上。每块芯片分别显示一种颜色的图像,这样光源在芯片反射后就携带了图像信息,当三幅图像被合并后,就形成了一幅携带完整色彩信息的图像。

LCoS的特点是技术成熟,成本低,但缺点是亮度和分辨率不佳,功耗大,体积大。对于微投影技术来说,LCoS虽然存在诸多缺点,但是由于其技术成熟,被应用在很多早期的AR眼镜中,比如微软的HoloLens一代和MagicLeap 一代。

微软HoloLens一代的LCoS光机体积巨大,来自quora.com

DLP,Digital Light Procession,即数字光处理。DLP和LCoS一样也需要外部白光作为光源,不同的是,LCoS的像素信息是由硅基液晶提供,而DLP则是由MEMS微镜(业界称之为DMD,数字微镜设备)提供。

DLP技术原理,来自tgbus.com

DMD是由微机电技术在基材上加工出上百万甚至更多的反光镜,每个反光镜的角度都可以被独立控制,并与像素一一对应。当把反光镜角度控制在“Off”状态下,光源会被反射到“吸光盒”,不会被投射出去。反之,如果反光镜角度在“On”状态下,光线则会被投射出去。这样,通过控制每个微镜的状态,就可以反射出一幅完整的图像。

显微镜下的DMD微镜阵列,来自意法半导体

和LCoS技术一样,DLP技术也很成熟。但是他们都有一个共同点,都需要外部白光光源。这个特点对于普通投影仪来说并不算个太大的问题,但是对于AR眼镜来说却是个很大的瓶颈。

外部光源首先是需要额外的空间放置光源及相关的分光镜、色轮等组件,这就增加了体积,二是亮度不够高,三是功耗大,四是发热量高。LCoS和DLP的光源中,仅有部分光能是投射出去的,这不仅导致了能耗高,更糟糕的是,这些未被投射出去的光能并不会凭空消失,而是会在光机中转化为热能,导致光机温度升高。

功耗大,意味着眼镜的待机时间短,而发热量大则意味着用户的使用体验变差(请自行脑补一下脑袋上顶个小火炉的感觉)。对于AR眼镜来说,不仅需要光机的体积小,亮度高,更重要的是要功耗小,发热量低。而LCoS和DLP都需要外部光源,意味着它们先天就无法作为AR眼镜的最佳选择。那么,是否有微投影技术能解决以上难题呢?这就要说到咱们的主角LBS了。

LBS光机原理,来自Bosch

LBS,Laser Beam Scanning,激光束扫描。上面动画显示的是LBS的基本原理。三个激光器分别发射红绿蓝三束激光(部分光机会增加激光头,发射红外光或者多个红光,动图中的博世用了两个红光激光头)。激光通过棱镜进行合并后,投射向MEMS Micro Mirror(微机电微镜),微镜在控制下扭转其反射角。通过不断变化的微镜反射角,光线就会被投射到对应的像素位置,从而扫描投射出一幅完整的图像。

LBS的激光器在每一个瞬间,发射出一个像素所需要的光束,在这这一瞬间,微镜也将其反射角对应到幕布上的特定的像素位置。在下一个瞬间,激光器发射出下一个像素所需要的光束,同时LBS微镜扭转角度到下一个像素的位置。周而复始,这样就可以通过激光器和微镜的配合实现图像的输出。

之前在说DLP的时候也提到MEMS微镜,但DLP有上百万甚至更多的微镜,每个微镜对应着一个像素,微镜角度只有ON/OFF两种状态,ON的时候将其微镜角度可以将对应像素的光反射出去,OFF的时候其角度扭转,将光反射到光机内部的吸光盒。

而LBS只需要两个甚至一个微镜。

MEMS实物,来自Microvision

MEMS扫描镜不仅能够用于光机,而且还可以用于HUD抬头显示器和激光雷达Lidar。关于HUD和Lidar,警长以后再做详述,本文聚焦光机。

微镜原理,来自youtube

上图是LBS内的微镜的原理图,可以看到,LBS的微镜在电磁驱动下(也有静电或者压电等其他驱动方式)能够在X轴和Y轴两个轴向扭转。当Y轴进行扭转时,光线就水平扫描到幕布上,当X轴进行扭转,光线则垂直扫描到幕布上,因此业界也会称呼LBS的微镜为MEMS扫描镜。如果一块微镜能实现X轴和Y轴两个轴向扭转,这种微镜被称为双轴扫描镜或者2D扫描镜。上图就是Microvision公司的双轴扫描镜。

除了双轴扫描镜外,也有单轴扫描镜(或称1D扫描镜),只在一个轴上扭转。

单轴微镜实物,来自微软

上图就是微软使用的单轴扫描镜。光机需要两个扫描镜进行组合,一个扫描镜负责水平扫描,另外一个负责垂直扫描。

HoloLens 2光机结构,来自微软

2D扫描镜和1D扫描镜各有优缺点,2D扫描镜更加复杂,成本更高,体积更小,但是分辨率和刷新率不如两个1D扫描镜的组合。比如2018年Microvision公司就能够使用双微镜实现2K(2560 x 1440)分辨率,刷新率达到120Hz,而同期其2D扫描镜光机能实现的分辨率仅为720P(1280×720)。如上图所示,微软HoloLens2的光机有两个1D扫描镜,一个扫描镜负责水平扫描,扫描频率比较高(2万赫兹以上),被称作高速扫描镜。而在垂直方向,需要的扫描频率不高(几十~几百赫兹),因此被称作低速扫描镜。

假设需要投射一帧图像,一半像素是全黑色,一半像素是全白色。那么无论是LCoS还是DLP,光源都必须全功率输出白光,但是白光中只有一半的光会被投射到屏幕上,另外一半的光则会停留在光机中变为热量。而对于LBS来说,在生成黑色像素时,激光根本不发射,这样一来是减少了不必要的能耗,二来是不会产生不必要的热量,三来还可以提高图像的对比度。

相比DLP和LCoS,LBS的结构更加简单,体积更小,能耗更低,发热量更小,这些属性都更加适合AR眼镜的要求。因此虽然价格更高,微软也毅然决然的在2代HoloLens上用LBS替代了LCoS。

LBS光机产业链

LBS光机产业链从上游到下游分别包括:MEMS微镜设计、MEMS微镜制造、LBS光机设计、LBS光机制造、LBS光机应用。

LBS光机产业链,黑毛警长008

MEMS微镜设计领域:Microvision(美国)、Bosch(德国)、滨松(日本)、Mirrorcle(美国)和Maradin(以色列)

MEMS微镜制造领域:意法半导体(意大利)和Bosch(德国)

LBS光机设计领域:Microvision(美国)和Bosch(德国)

LBS光机制造领域:歌尔(中国)和Bosch(德国)

LBS光机应用领域:微软、索尼

LBS的业界翘楚当属美国的Microvision(微视),这家公司成立于1993年,拥有超过500项专利。2012年Microvision在CES上发布了世界首台720P光机模组。2016年Microvision和意法半导体合作,由意法为其代工MEMS微镜。2017年Microvision与歌尔合作,由歌尔为其代工LBS光机模组,并应用于索尼微型激光投影仪上。2018年Microvision发布2K分辨率+120Hz刷新率的双微镜光机。

Microvision手握大量专利,其光机性能长期无人能及,实际上处于垄断地位。根据美国AR技术大神Karl Guttag分析,微软HoloLens 2所使用的光机技术,也来源于Microvision。

博世早期和Microvision曾经有过合作,但最近两年开始发力自己单干,提供了完整的光机解决方案。博世的产品性能距离Microvision还有很大差距,比如Microvision在2018年就能提供2K分辨率光机,但博世至今能提供的光机分辨率最高仅1280 x 600,尚不及Microvision在2012年的水平。但随着光机市场需求的快增长,博世不会对这块蛋糕熟视无睹。考虑到博世的规模和体量远大于Microvision,一旦其开始大规模投入LBS光机,未来不排除看到博世和Microvision两家并驾齐驱的局面。

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