LCOS 2.0：下一代增强现实投影技术的发展路线图

随着发光技术的兴起，微显示技术的先驱们提出了一个重要问题：LCOS的未来发展方向是什么？

作者：Alexander Mityashin、Douwe Geuzebroek、Jonas Zeuner、Andreas Laemont、Arseniy Kuznetsov和Barry Silverstein。

硅基液晶（LCOS）凭借其优异的光学性能、成熟的制造工艺和强大的供应链，已成为基于波导的增强现实（AR）系统的主流微显示技术。这一坚实的基础也催生了第一代商用AR产品。

然而，新兴的消费级AR和AI辅助眼镜对性能的要求日益提高，所有关键显示指标都面临着更高的要求。未来的系统必须在保持卓越图像质量的同时，显著缩小投影机体积，提高能效，提升帧速率，并实现更高的系统集成度。由于显示模块需要在轻薄眼镜的外形尺寸内与电池、摄像头、传感器和计算硬件争夺空间，投影机的小型化已成为一项尤为重要的衡量标准。

如今，micro-LED已成为消费级AR眼镜的主要竞争显示技术。其自发光架构在投影机紧凑性和低内容功耗方面具有优势，使其成为下一代AR产品的有力候选者¹。这就引出了一个问题：LCOS如何在消费级AR应用中与micro-LED保持竞争力？

为了应对这一核心挑战，AR联盟成员制定了LCOS的五年技术路线图。该路线图并非对现有投影机架构进行渐进式改进，而是着眼于照明引擎、显示面板和光学架构的协同演进。目标是将传统的 LCOS 投影机过渡到专用的消费级 AR 解决方案，在保留 LCOS 现有优势的同时，解决尺寸、功耗和系统集成方面的关键挑战。

图 1.这些组合图展示了硅基液晶 (LCOS) 的发展路线图——从传统的 LCOS 到专用的消费级 AR 投影解决方案。LCOS 与微型 LED 投影机尺寸对比(a)。图中展示了显示引擎和投影光学系统到波导的入射光瞳，视场角为 20°，像素阵列为 640 × 480，功耗（5 lm D65 白光输出，LCOS 为偏振光，微型 LED 为非偏振光），分析方法参见参考文献 1。LCOS 发展路线图模型(b)：V0：当前最先进技术 (SOTA)，以及 V1、V2 和 V3（包含在路线图中）。图中展示了相应的架构示意图和目标规格。APL：有源像素照明；PBS：偏振分光器；SOTA：当前最先进技术；WGC：波导合束器。图片由 Labbet Advice 提供。

实现这一目标需要采用演进式思维，并参考更广泛的AR联盟路线图，重点关注其关键结论和技术方向。图1展示了拟议的架构演进。图中模拟了四代LCOS投影机，从当今最先进的投影机实现方案（V0）到由集成光子学实现的集成度极高的平板架构（V3）。这些创新共同表明，LCOS能够很好地适应消费级AR眼镜快速变化的需求。

小像素LCOS面板

显示面板尺寸是投影机小型化的根本驱动力。更小的像素间距直接减小了LCOS面板的尺寸，进而显著缩小了偏振分光镜（PBS）的尺寸和投影光学元件的体积。

传统的向列相LCOS显示器通常采用3至4微米的像素间距。下一代LCOS技术的最新进展已使像素间距接近1微米，这代表着消费级AR投影机尺寸缩小的一个重要里程碑。两种极具前景的方法——超表面液晶光学系统（MLCOS）（图2）和铁电液晶光学系统（FLCOS）——都采用了比传统向列相器件薄得多的液晶层。

亚微米液晶单元具有两大优势。首先，它们能够在保持优异光学性能的同时，显著缩小像素尺寸。其次，更薄的液晶层展现出更快的开关速度，从而能够以千赫兹帧速率运行。

图2.由新加坡科技研究局（A*STAR）开发的1微米像素间距超表面LCOS（MLCOS）VGA原型，可提高像素密度，实现更大视场角和更紧凑的AR显示。图片由新加坡科技研究局提供。

图 3展示了基于 PIC 的激光照明器相对于传统 LED 照明器的预期光学效率 (lm/W) 优势，分别采用了 Vitrealab（其量子光芯片 [QLC] 解决方案[图 5]）和 Brilliance RGB（其倒装芯片方案[图 4]）的产品。该分析基于以下参数：激光二极管 (LD) 效率为 50 lm/W（偏振 D65 白光；R35%/G15%/B25% 墙插效率 [WPE]），偏振器后 LED 效率为 50 lm/W（初始 D65 白光 100 lm/W；R45%/G30%/B75% WPE；50% 偏振损耗），以及 40% 的 LED 照明架构效率。

这些进步共同代表着对传统向列相液晶光学系统（LCOS）技术的显著改进，并解决了场序彩色系统的一个传统局限——即快速眼动或场景移动时出现的色彩分离伪影。迄今为止的实验演示表明，MLCOS 和 FLCOS 架构的对比度均超过 1000:1。此外，MLCOS 架构的仿真结果表明，通过持续的器件优化，对比度有望接近 10,000:1。

亚 2 微米像素间距和千赫兹帧速率的结合，使下一代 LCOS 面板成为投影机小型化的关键使能技术。除了缩小投影机尺寸外，这些发展还为未来涉及动态内容的增强现实（AR）应用以及人工智能辅助的视觉界面提供了所需的性能余量。

激光光子集成电路（PIC）

PIC光引擎是投影机小型化和光学效率提升的关键元件。作为LCOS 2.0路线图的关键使能技术之一，光子集成电路（PIC）解决了投影机尺寸、能效和图像质量方面的问题。传统的LED照明系统需要相对笨重的光学组件来实现光线整形、偏振管理和均匀化，而晶圆级PIC则能够实现高度紧凑的照明引擎，将光路路由、光束调节和照明分配集成于单个平台中。

这些特性使激光照明相比LED光源具有诸多固有优势。例如，激光的高方向性使其能够实现更高的峰值亮度和更低的占空比，这对于减少AR显示器中的运动伪影尤为重要。此外，激光的窄光谱能够实现更宽的色域，其偏振输出自然而然地降低了偏振敏感型AR架​​构中的损耗。

集成光子技术的应用使得照明引擎比传统光学组件更薄、更小。目前已展示了采用氮化硅（SiN）-氧化铝（Al₂O₃）和玻璃基PIC平台的激光照明LCOS投影机 。

LCOS 2.0路线图的目标是使偏振D65白光照明器的效率达到28 lm/W，显著优于传统的LED照明器（图3）。这些提升得益于激光照明组件的协同改进。首先，激光二极管的电光转换效率持续提高，目前的RGB激光器组合可提供约30至40 lm/W的偏振D65白光输出，而路线图预测的效率将接近50 lm/W。其次，通过组装和封装优化，激光器与光子集成电路（PIC）的耦合效率正在提高。最近的演示表明，耦合效率已接近70%，大幅降低了集成激光照明系统中的主要损耗机制之一⁶。第三，PIC内部的传输效率和输出耦合效率也在快速提升。实验演示目前已实现约10%的PIC整体传输效率，而优化设计在仿真中超过50%⁴。这些进步使得激光-PIC照明引擎能够提供比传统LED架构更高的光学效率。

图 4. Brilliance RGB 的 Neptune 激光引擎平台展示了在氮化硅 PIC 上高效倒装 RGB 激光二极管的封装。经 Brilliance RGB 许可改编自参考文献 6。图片由 Brilliance RGB 提供。

图 5. Vitrealab 的 QLC 技术采用高透射率的玻璃基光子集成电路 (PIC)，用于激光照明的分布和控制。经 Vitrealab 许可改编自参考文献 5。图片由 Vitrealab 提供。

除了光学效率之外，集成光子学在尺寸和可制造性方面也具有显著优势，因为光子集成电路（PIC）采用晶圆级制造工艺，并且越来越多地通过商业代工厂供货。该技术的快速成熟也是一大优势。在光通信等大批量光子学应用的推动下，当前的制造生态系统为消费级增强现实（AR）产品提供了一条可扩展且经济高效的途径（图 4）。

激光显示器面临的一个挑战是相干伪影，通常被称为激光散斑。如果不加以抑制，散斑对比度通常约为20%，而可接受的图像质量通常只需要几个百分点即可。目前已经展示了几种紧凑型散斑抑制技术。据报道，基于MEMS的方法和空间像素移位器（有时称为“摆动器”）的功耗低于10 mW，并且与小于0.5 cm³的投影机架构兼容( 5)。其他方法，包括波长分集、偏振分集、动态扩散器和微透镜阵列，也已在激光投影系统中得到验证。重要的是，这些技术可以很容易地应用于基于PIC的照明引擎。

自适应区域照明

LCOS和微型LED等自发光显示器之间最重要的架构权衡之一是稀疏视觉内容下的功耗，这在AR应用场景中很常见。传统的LCOS照明引擎无论显示的图像内容如何，​​消耗的光功率都大致相同。无论只有 10% 还是 100% 的像素处于激活状态（通常称为激活像素点亮，APL），照明系统始终保持满负荷运行。相比之下，自发光显示器仅为实际开启的像素消耗电量。许多 AR 应用的 APL 值在 10% 到 30% 之间，这使得自发光技术在能效方面具有显著优势。图 1 对比了不同投影机架构在 10% 和 100% APL 下的功耗。

图 6.基于根特大学-FFLOWS项目PIC照明器架构的区域照明预计节能效果。该架构采用D65白光照明，并集成了用于可见光波段的电光调制器，且调制器长度小于2毫米，插入损耗小于0.4分贝，静态功耗在纳瓦级。该架构与LCOS 2.0 V2至V3路线图兼容。图片由根特大学提供。

自适应区域照明技术使LCOS系统能够通过选择性地仅照亮显示面板上包含活动内容的区域来应对这一挑战，因此是降低投影机功耗的关键创新。目前，该技术下涌现出两种互补的实现方案。第一种方案采用激光二极管冗余设计，即每个照明区域都配备独立的RGB激光器组。这种方案易于实现，对于照明区域数量较少的架构而言，是一种极具吸引力的近期解决方案。例如，Vitrealab公司已经展示了一种双区域实现方案（图5）⁵。其主要限制在于封装的复杂性和激光器组装的开销，随着照明区域数量的增加，这些挑战将愈发严峻。微型垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）阵列是区域激光照明架构的另一项极具前景的发展方向。

图 7.未来 LCOS 2.0 V3 平板显示引擎的概念渲染图。该无 PBS 架构将照明和光束调节集成在玻璃上的透明光子集成电路中，从而实现超紧凑型投影仪，适用于轻便的消费级 AR 眼镜。图片由 Labbet Advice 提供。

第二种方法利用了集成光子学和光开关元件。在这种架构中，单个激光源通过直接在光子集成电路 (PIC) 上实现的级联光开关，动态地分配到多个照明区域。根特大学牵头的研究项目 UGent-FFLOWS 正在率先探索这种方法。该项目展示了一种开关树 RGB 照明器概念，其中单个激光输入通过级联的 1 × 2 马赫-曾德尔干涉仪-多模干涉仪光开关路由到多个输出区域。

这种架构引入了一个重要的设计权衡：增加照明区域的数量可以提高稀疏内容的功耗，但同时也会增加光开关网络的插入损耗。图 6 展示了使用电光 (EO) 调制器的优化光开关架构的这种权衡。对于增强现实 (AR) 显示应用，调制器的尺寸和功耗是关键的系统级参数，这进一步推动了在可见光波段工作的低损耗 EO 调制器的开发。

最后，区域照明需要在投影机系统层面提供原生支持。 LCOS面板驱动器必须动态地传递激活照明区域的信息，同时控制激光功率和光开关元件。这一要求与之前讨论的下一代LCOS面板直接相关。对区域照明功能的原生支持正在集成到专为未来V2和V3路线图实现而开发的第一代定制专用集成电路LCOS架构中。

平板LCOS架构

LCOS 2.0的最终愿景是从传统的投影机架构过渡到集成平板显示引擎（V3）（见开篇图像和图7）。如今的LCOS投影机从根本上受到PBS及其相关自由空间光学元件的限制，这些元件既是投影机体积的主要组成部分，也是光损耗的重要来源。消除这些组件将为基于LCOS的AR显示器开辟一条截然不同的扩展路径。

平板LCOS架构利用集成光子学技术，在紧邻显示面板的透明基板内对光线进行路由和调节。通过将照明和光学功能集成到光子层中，无需 PBS 的投影机架构成为可能。

平板 LCOS 投影机的初步演示已经验证了这一概念：与传统的 LCOS 架构相比，厚度为 2 毫米的平板 LCOS 显示器体积减少了 80% 以上，同时相对于标准显示器参考实现了 200% 以上的色域覆盖率4。

目前的挑战在于如何在玻璃基板上直接制造透明、低损耗的光子集成电路（PIC）。传统的PIC平台主要在硅晶圆上开发，而平板显示器应用则需要在整个可见光谱范围内保持光学透明。幸运的是，近期在玻璃基板上进行的低损耗SiN和Al₂O₃ PIC的试生产表明，这一制造难题正迅速得到解决。平板架构代表了LCOS路线图的最后阶段。当与小像素面板、激光PIC照明和自适应区域照明相结合时，它将催生出一类新型的专用消费级AR投影仪，这些投影仪针对轻薄眼镜 的外形进行了优化。

展望： LCOS仍然是AR领域最成熟、功能最强大的微显示技术之一。

然而，消费级AR眼镜引入了一系列新的限制，这些限制无法通过对现有投影仪设计的渐进式改进来解决。 LCOS 2.0路线图通过四大技术领域的协同创新，为下一代消费级AR投影机架构指明了一条切实可行的发展路径：亚2微米像素LCOS面板、激光PIC照明引擎、自适应区域照明以及集成式平板光学架构。 这些发展共同解决了LCOS面临的两大主要挑战——投影机尺寸和功耗——同时保留了其在图像质量、可制造性和供应链成熟度方面的核心优势。值得注意的是，许多底层技术已经过实验验证。这表明LCOS的演进并非依赖于单一突破，而是依赖于显示堆栈中互补创新技术的融合。 换言之，LCOS的发展路线图并未接近尾声，而是迈入了下一代——专为轻巧、高性能的消费级AR眼镜而设计。

作者简介：Alexander Mityashin博士是Labbet Advice的首席执行官兼创始人，该公司是一家为半导体和光子学领域的投资者和深度科技公司提供独立咨询服务的公司。他在imec公司开发了先进的显示技术，并联合创办和领导了一家微型LED公司；邮箱：alexander.mityashin@labbet.be。Douwe Geuzebroek博士 在集成光子学及其应用领域拥有超过20年的经验，曾在多家初创公司和成长型公司担任工程、销售和市场营销等职务。他是Brilliance RGB公司的首席技术官；

Jonas Zeuner博士是Vitrealab的首席技术官兼联合创始人。Zeuner创立Vitrealab的愿景是打造基于新型激光波导技术的下一代显示器。他和他的团队正在开发世界上最亮的AR光引擎；邮箱：jonas.zeuner@vitrealab.com。Andreas Laemont于2024年获得材料化学博士学位。他目前在根特大学的衍生项目FFLOWS工作，该项目致力于开发用于集成光子学的下一代铁电调制器；

Andreas Laemont于2024年获得材料化学博士学位。是新加坡科技研究局（A*STAR）光学与电子部门的高级首席科学家兼主任。他还担任新加坡国家半导体转化与创新中心（NSTIC）平面光学平台技术副总裁。

Barry Silverstein是罗切斯特大学扩展现实中心 (CXR) 的主任，也是 AR 联盟 LDAR 工作组的主席。他曾担任 Meta Reality Labs 的光学和显示研究高级总监兼显示产品首席技术官，以及 IMAX 的高级研究总监。

文章来源：https://www.photonics.com/Articles/LCOS-20-A-Road-Map-for-the-Next-Generation-of/a72460