一副眼镜塞下两台激光投影仪 | 微软HoloLens 2是怎么做到的
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《一文看懂：AR产业金钥匙——衍射光波导》。
▲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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