光波导光机：LCoS光机、DLP光机和LBS光机的详细介绍

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光波导光机主要包括LCoS光机、DLP光机和LBS光机，以下内容就是分别对这 3 个光机的详细介绍

LCOS 光机

LCOS 光机的核心是一个微小的液晶显示器，该显示器以硅晶片为基底，并在其上覆有一层反射膜。与传统的透射型液晶显示技术不同，LCOS 技术利用光源发出的光经过液晶层的调制后，再通过反射的方式将图像投射出来。

反射过程：

1. 光源照射：一个强大的光源，如LED或激光，产生的光通过光学系统照射到 LCOS 面板上。

2. 液晶调制：液晶分子排列在硅基板上的微小像素阵列中。这些分子在施加电压后会改变其排列状态，从而调制反射光的相位和强度。不同像素的液晶调制状态对应图像的不同灰度和颜色信息。

3. 反射投影：调制后的光线被反射到光学投影系统中，然后通过复杂的光学元件（如透镜和棱镜）将图像投影到光波导或直接投射到用户的视野中。

 优点：

1.高分辨率：由于 LCOS 面板上像素尺寸极小，LCOS 光机能够提供非常高的分辨率，这在显示高清图像时尤为重要。

2. 高对比度：LCOS 技术的反射型结构使其能够实现高对比度的显示效果，特别是在暗场景下的表现更为突出。

3. 低功耗：相较于传统的显示技术，LCOS 光机在提供高亮度图像的同时，能够保持较低的功耗，这对于便携式设备如 AR 眼镜来说至关重要。

缺点：

光学系统的整合复杂性，尤其是如何在小型化的同时保持光学性能。其次是成本问题，由于 LCOS 面板的制造工艺复杂，量产时需要克服工艺难题和降低成本。此外，热管理也是 LCOS 光机需要解决的问题，因为长时间使用时，光源和电路产生的热量会影响液晶的稳定性。

DLP 光机

DLP光机利用数字微镜设备DMD来实现光的调制。DMD由数百万个微小的反射镜组成，每个微镜可以独立倾斜，从而控制入射光的反射方向。通过对这些微镜进行精确控制，DLP光机可以将光束分离成不同的像素，形成高分辨率的图像。在光波导显示系统中，DLP光机的光束首先通过入射耦合器进入波导。波导内表面通过全内反射将光线导引至用户眼前，用户通过光波导看到合成的虚拟图像。DLP光机能够精确控制每个像素的亮度和色彩，从而实现高清晰度和高对比度的图像显示。

工作过程：

1. 光源生成：DLP光机通常使用高效的LED或激光作为光源。这些光源提供了充足的亮度，确保在不同环境光条件下都能清晰显示图像。

2. 光学调制：光源发出的光线被引导至DMD芯片，DMD上的微镜根据输入的数字信号快速倾斜，调制光线的方向。每个微镜对应一个像素，当微镜倾向光线通过的方向时，该像素被点亮；反之则不亮。

3. 色彩合成：DLP光机通过时间序列法快速切换RGB三基色光源，合成全彩色图像。由于DMD芯片的响应速度极快，人眼可以感知到完整的彩色图像，而不会察觉到RGB光源的切换过程。

4. 光波导传输：调制后的光束通过耦合器进入光波导，光波导通过精确设计的折射结构和反射涂层，将光线以多次全内反射的方式传输至用户眼前。用户通过透镜系统或直接看到波导中的光线，最终形成虚拟图像。

优点：

1. 高分辨率，高对比度：DLP光机能够提供极高的分辨率和对比度，这对于需要精确显示图像的AR应用至关重要。

2. 高刷：由于DMD芯片的响应速度极快，DLP光机能够以非常高的刷新率显示图像，减少运动模糊。

3. 色彩精准：DLP技术通过时间序列合成全彩图像，色彩表现精确，适合对色彩还原要求高的应用场景。

4. 高亮度：DLP光机通常搭配高效的光源，能够在强光环境下依然提供清晰的图像显示。

缺点：

1. 功耗较高：

   DLP光机中的DMD芯片需要大量的微镜持续快速摆动，这会导致较高的功耗。对于便携设备如AR眼镜而言，功耗是一个关键问题，过高的功耗会缩短设备的电池续航时间。

2. 体积较大：

   尽管DLP光机的体积已经大幅缩小，但相比其他显示技术，如LCoS，DLP光机的整体体积和重量仍然偏大。这可能会对AR眼镜的轻便性和舒适性产生影响。

3. 散热问题：

   由于DLP光机的高亮度光源和快速运行的DMD芯片，设备内部会产生较多的热量。散热问题可能会影响光机的稳定性和寿命，尤其是在小型化的AR眼镜中，散热设计更加困难。

4. 显示效果可能受到环境光影响：

   尽管DLP光机能够提供高亮度的显示效果，但在强烈的环境光线下，图像的可见性仍然可能受到影响。对于户外使用的AR设备，环境光的干扰可能会降低图像的清晰度和可读性。

5. 虹彩效应：

   DLP光机采用的时间序列颜色合成方法在某些情况下可能导致虹彩效应。这是由于红、绿、蓝三基色快速切换造成的，人眼在特定角度或移动时可能会看到短暂的彩色分离现象，这对部分用户来说可能是一个视觉上的不适感。

6. 成本较高：

   由于DMD芯片的复杂性和制造成本，DLP光机的成本通常较高。这使得采用DLP光机的AR设备价格较高，可能影响其大规模普及。

LBS光机

LBS光机是一种将激光束通过微型镜扫描投射至波导以形成图像的光学引擎

LBS光机的技术原理：

LBS光机利用高速移动的微型镜片将三基色激光按照预定路径进行扫描，形成全彩图像。每束激光代表一个图像像素，通过控制激光束的强度和微镜的摆动速度，LBS光机可以在极短时间内生成完整的图像。LBS光机的核心在于其采用了激光源和MEMS微镜的组合。激光源能够提供极高的光亮度和色彩纯度，而MEMS微镜则能够以极高的速度和精度控制激光束的方向。这一组合使得LBS光机在小体积内实现了高分辨率的图像显示，非常适合轻便型AR眼镜等设备。

工作过程：

1. 激光光源生成：LBS光机使用红、绿、蓝三种激光二极管作为光源。通过调节激光二极管的输出功率，LBS光机可以生成不同亮度的光束，进而控制图像的亮度。

2. 光束调制：各色激光束经过准直和扩束后，进入到MEMS微镜组件。MEMS微镜以极高的频率（通常在数万至数十万赫兹之间）在两个维度上摆动，从而使激光束按照预定路径扫描。

3. 图像生成：扫描过程通过时间序列控制形成完整的图像，类似于电视屏幕上光栅的扫描方式。由于激光束的高响应速度，LBS光机能够在一秒钟内多次重复扫描，形成高帧率的图像显示。

4. 波导传输：生成的图像光束通过入射耦合器进入光波导。光波导内部通过全内反射将光束导向用户眼前，实现图像的叠加显示。

优点：

1. 紧凑和轻量：LBS光机因为其结构简单且不依赖复杂的光学元件如透镜和棱镜，可以设计得非常紧凑和轻便。这使得它非常适合应用在需要轻量化的AR设备中。

2. 高亮度和色彩纯度：激光源具有很高的光亮度和色彩饱和度，能够在各种环境光线条件下提供清晰、鲜艳的图像。这对于户外AR应用特别重要。

3. 无焦距限制：由于LBS光机直接通过激光束绘制图像，不需要对焦镜头，图像在从近距离到远距离的各个范围内都能保持清晰。这在需要动态对焦的场景中具有优势。

4. 高效*：LBS光机通过高效的光束扫描，避免了传统显示技术中的能量损失，能够更高效地利用光源能量，从而降低功耗。

5. 可实现无限焦距：LBS光机可以实现所谓的“虚拟焦点”，即用户可以在不同的距离范围内看到清晰的图像，而无需进行物理对焦。这在AR眼镜中尤其有用，能够提升用户体验。

缺点：

1. 散斑效应：激光作为相干光源容易产生散斑效应，即图像表面会出现细微的颗粒感或斑点，这可能会影响图像的视觉质量。尽管有一些技术手段可以减轻这一效应，但目前完全消除它仍然具有挑战性。

2. 功耗高：尽管LBS光机在效率上有所优化，但激光源本身的功耗较高，特别是在需要高亮度输出时。这会对设备的续航时间带来一定挑战。

3. 分辨率较低：由于LBS光机依赖于微镜的摆动速度，实际生成的图像分辨率可能会受到限制。目前LBS技术的分辨率还无法与一些其他显示技术如微型LED媲美。

4. 寿命短：MEMS微镜在长期高频率摆动下可能会面临磨损或疲劳，进而影响设备的寿命。这对于需要长期使用的设备来说是一个需要考虑的问题。

5. 激光安全低：由于LBS光机使用高亮度的激光，必须确保激光束不会直接进入人眼以避免伤害。因此，AR设备在设计时需要加入额外的安全保护措施，增加了设计复杂性。

原文始发于微信公众号（灵境幻视 AR）：光波导光机：LCoS光机、DLP光机和LBS光机的详细介绍