光机LBS原理

什么是LBS

LBS光机是一种基于激光束扫描的光学投影设备，其全称为Laser Beam Scanning，直译为“激光束扫描”。简单来看，LBS光机通过使用MEMS振镜精确地控制光源激光束的反射方向，使每束激光反射到特定位置，在成像媒介上形成单个像素点^[1]。由于MEMS振镜的速度很快，因而LBS光机可以满足人眼的视觉暂留效应，在成像媒介上快速打点，最终形成人眼可感知的图像^[1]。

LBS工作原理

人眼视觉暂留效应

视觉暂留效应是LBS成像的原理基础。生理学上，人眼的视觉暂留效应指在感知图像时，该图像会在视网膜和大脑中留存一段短暂的时间，这种效应通常持续大约1/16秒。因此，当连续的静态元素以足够快的速度被人眼感知时，这些单独的静态元素会在我们的大脑中融合成一个连续流畅的动态元素^[2]。“走马灯”就是视觉暂留效应的经典案例应用：灯光源和一系列静止图像都位于旋转轴上，当旋转轴快速旋转时，由于视觉暂留效应，人眼会感知到所有静止图像融合成一个整体流畅的动态画面，如图(1)所示。

光机LBS原理图(1).走马灯示例图

LBS成像机理

典型的LBS系统通常由RGB激光器、MEMS振镜和控制系统三部分组成^[1]。其中，MEMS振镜较为关键，它是一种基于微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技术制作而成的微小可驱动反射镜^[3]。运行时，MEMS振镜可根据不同的驱动方式（常见的有静电驱动和压电驱动）倾斜镜面，实现对光束偏转的控制（图(2)）^[3]。

光机LBS原理图(2).MEMS振镜工作原理

LBS工作时，RGB激光器首先会产生红、绿、蓝三种激光束，激光束经光学系统耦入到MEMS振镜表面。其次，电控系统会根据待显示图像的信息计算并控制MEMS振镜的偏转角度和偏转速度，将激光束偏转到特定的位置，光束在该位置形成一个像素点^[1]。

如图(3)所示，在完成一个像素的扫描偏转之后，MEMS振镜会对剩余的像素重复前面的步骤，直至一帧完整的图像被绘制完成。虽然每次只有一个独立的像素点在成像面出现，结合前文所述的人眼暂留现象，人眼和大脑可以由点及面，完整感知每一帧图像^[1]。

光机LBS原理图(3).LBS成像原理

LBS的优势

体积小、使用场景灵活

由于独特的设计和结构，LBS具有体积小巧的优势。传统的显示技术（如DLP）往往需要使用多个透镜和光学元件来聚焦成像^[4]，而LBS仅需RGB激光器和一个或多个尺寸小巧的微型MEMS振镜扫描成像。因而，和其他成像系统相比，LBS无需复杂的光学系统来实现成像，由此，LBS在体积方面具有显著优势（图(4)）。同时，因LBS为扫描成像，所以没有固定的成像焦距，更够在不同的投影距离及投影表面上进行清晰的投影，从而在使用场景上具备更高的灵活性^[4]。

光机LBS原理图(4).LBS和DLP体积构造对比

功耗低

相比传统液晶显示技术，LBS功耗更低。详细来看，比起需用整个面板实现照明的LCD技术，LBS采用MEMS振镜精确控制激光扫描路径，仅消耗在实际显示像素上需要的能量；同时，背光源通常是液晶显示设备中最大的能量消耗源之一，而LBS无需额外背光源即可成像，可显著减少功耗^[5]。

对比度高

此外，LBS的激光光源还具有高单色性的特点，在投影时更集中投射能量，产生更亮、更清晰、更饱满的颜色^[6]。

传统的DLP和LCD在成像时，背光源无法单独控制每个微镜片，只能一次性点亮整个阵列区域^[7]；而LBS采用激光光源，光束逐点移动，每次仅照射一个小区域，从而形成所需的图像。通过调整激光束的扫描路径和强度，可实现对LBS成像中每个点的亮度的控制。由此，LBS在亮部和暗部之间实现更大的亮度差异，从而增强图像的对比度，让成像具有更好的视觉表现力（图(5)）^[6]。

光机LBS原理图(5).LBS、LCD和DLP显示效果

色彩表现更佳

LBS可以覆盖更广的色域。其核心光源为激光光源，而激光光源的特性之一是可输出纯净的窄带光谱，即具有更好的单色性，所以可产出的颜色拥有更高色彩纯度。因此，在LBS的激光光源中，红绿蓝三色所构成的色度三角形面积更大，即色域更大（图(6)）。换而言之，采用LBS的显示设备能显示的色彩数量更多，能带来更丰富的颜色和更自然、细腻的色彩过渡^[7]。

光机LBS原理图(6).激光光源（LASER）、LED、LCD和CRT显示可能实现的色域

LBS的劣势

虽然LBS体积和功耗更小，成像对比度和色彩表现更好，但也因为其激光和成像特性，导致了在成像、应用方面的劣势。

散斑

激光光源产生的是一种高度相干光，当激光入射到粗糙物体表面发生散射时，电磁波在空间中相互自干涉形成强度、相位随机分布的颗粒状的斑纹，被人眼捕获后的这种不规则图样称之为激光散斑。激光散斑画面会带来屏幕上整个画面显示的亮暗斑点（图(7)(A)），与正常成像效果相比（图(7)(B)）会有我们平时所说的“毛玻璃”质感，影响画面的成像清晰度^[8]。

光机LBS原理图(7).散斑效果对比

为了降低减弱散斑带来的负面影响，LBS光机需要采用额外方法降低激光光源出射光的相干性或者对散斑进行时分复用的叠加，然而，消除散斑的方法设计较为复杂，对设备精度也有较高的要求，并且可能会对系统图像清晰度、亮度产生影响，由此，目前尚未有广泛使用的消除散斑方案^[9]。

畸变

由于扫描方式和光学特性，LBS成像可能存在图像的几何或色彩畸变。MEMS振镜在扫描过程中速度发生变化，通常在扫描边缘减慢，同时在扫描远离中心的区域时，由于扫描角度增大，可能导致图像边缘出现弯曲或拉伸，即产生几何畸变。另外，不同颜色的激光波长不同，可能在不同位置聚焦，导致色彩在边缘处分离或模糊，扫描的非线性速度也会导致图像不同部分可能出现亮度不一致的情况，即为色彩畸变^[10]。

难以做到高分辨率

LBS利用人眼视觉暂留特性进行成像，成像的画面分辨率与MEMS扫描镜的扫描速率紧密相关。对于LBS而言，1秒内所有像素至少要刷新20次才能满足图像的稳定显示。若要达到目前显示器件相同的HD1080显示效果（分辨率为1920*1080），MEMS谐振频率将需要从VGA格式下的18kHz^[1]提高至40.5kHz^[11]。MEMS扫描镜难以保持如此高的扫描频率，也因此限制了LBS的画面分辨率。

色彩不稳定

LBS用的是激光，RGB激光器对温度较敏感，图(8)展示了RGB激光输出功率随着温度变化的特性。可以看到，蓝色激光在不同温度下的输出功率较为稳定，但红色和绿色激光在环境温度超过40℃时出现了明显的温度漂移现象。在此情况下，激光器发射的波长会发生漂移，模式不稳定，甚至无法正常工作^[12]。

光机LBS原理图(8). RGB激光输出功率随温度变化示意图

LBS发展现状

现有应用

LBS在不同领域具有多种应用。在AR和VR领域，LBS系统可以实现小巧轻便的设计，为用户带来沉浸式视觉体验；在三维扫描和成像领域，LBS能生成对象或环境的详细三维模型，可用于工业设计、文化遗产保护等；在激光雷达感知方面，LBS被用于扫描测量距离并创建周围环境的详细三维地图；此外，由于成像对比度更高、色彩表现更佳，LBS在影院、大型室外显示也能得到应用^[13]。

车载应用

在车载领域，LBS光机可以应用于车载HUD（Head Up Display，抬头显示）系统，并从体积和降低阳光倒灌风险两方面拓宽HUD技术路线。由于体积小，理论上LBS能够有效解决HUD中PGU的体积占比问题，并在同等体积下实现更大的视场角（FOV）。同时，由于LBS是一种投影技术，需要扩散膜进行一级成像，这就意味着外界经HUD光学系统汇聚的高能量密度太阳辐射并不会负载到光机本体，从而降低阳光倒灌的风险^[14]。但车载LBS技术还有较多问题需解决，如成本、温漂、震动、散斑等特性问题，以及车规可靠性的综合认证，所以暂时还未见相关方案有量产实施。由此，对于LBS而言，在保持成本且不加过多额外措施的前提下量产上车是一个挑战。

总结来看，LBS的结构组成和激光特性带给了它在成像等方面的不同优势，但也导致了它在HUD应用中的高难度和高要求。了解LBS的详细原理，有助于更好地评估、优化它对成像质量的影响和实际场景应用。

#参考来源：

[1]Petrak, Oleg, et al. (2021). "Laser beam scanning based AR-display applying resonant 2D MEMS mirrors." Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) II. Vol. 11765.

[2]Anderson J, Anderson B. (1993). "The myth of persistence of vision revisited." Journal of Film and Video, 3-12.

[3]Wang, Dingkang, Connor Watkins, and Huikai Xie. (2020). "MEMS mirrors for LiDAR: A review." Micromachines 11(5): 456.

[4]LI Zhao, YUAN Weizheng, WU Meng, et al. (2011). "Micro scanning mirrors with laser diode for pattern generation." Acta Photonica Sinica, 40(11): 1625-1629.

[5]Hofmann, Ulrich, Joachim Janes, and Hans-Joachim Quenzer. (2012). "High-Q MEMS resonators for laser beam scanning displays." Micromachines 3.2: 509-528.[6]Niesten, Maarten, Randy Sprague, and Josh Miller. (2008). "Scanning laser beam displays." Photonics in Multimedia II. Vol. 7001.

[7]Tsai, Pei-Shan, et al. (2009). "Image enhancement for backlight-scaled TFT-LCD displays." IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology 19.4: 574-583.

[8]Briers, David, et al. (2013). "Laser speckle contrast imaging: theoretical and practical limitations." Journal of biomedical optics 18.6: 066018-066018.

[9]Akram, M. Nadeem, and Xuyuan Chen. (2016). "Speckle reduction methods in laser-based picture projectors." Optical Review 23.1: 108-120.

[10]Dai, K., and Louie Shaw. (2002). "Distortion minimization of laser‐processed components through control of laser scanning patterns." Rapid Prototyping Journal 8.5: 270-276.

[11]Okamoto, Yuki, et al. (2018). "High-uniformity centimeter-wide Si etching method for MEMS devices with large opening elements." Japanese Journal of Applied Physics 57.4S: 04FC03.

[12]Kumano, Tetsuya, et al. (2016). "Ultracompact RGB Laser Module Operating at+ 85 C." SEI technical review 82.

[13]Merlemis, Nikolaos, Anastasios L. Kesidis, etc. (2020). "Measurement of laser beam spatial profile by laser scanning." European Journal of Physics 42.1: 015304.

[14]McDonald, T. Gus, and Pierre Mermillod. (2023). "Speckle mitigation techniques for laser point scanned displays in head-up display applications." Advances in Display Technologies XIII. Vol. 12443.

原文始发于微信公众号（睿维视 ReaVis）：光机LBS原理

艾邦现建有汽车抬头显示HUD微信群，大陆电子、未来黑科技、泽景、马瑞利、华阳多媒体、法雷奥、怡利电子、前海智云谷、613所、矢崎仪表、疆程、乐驾科技、棱镜全息、京龙睿信、均胜电子、炽云科技、锐思华创、舜宇光学、广景、宝沃汽车、北汽、日产、比亚迪、一汽、上汽、蔚来、吉利、3M、积水、福耀玻璃、富兰光学、亮宇光学、京瓷、瑞霏光电等，欢迎扫码加入。加入前请转发本文。