趙嘉信、方彥翔 / 工研院電光所
前言
AR/VR智慧眼鏡被視為繼手機之後的下一代行動運算平台，台積電董事長認為「AR將取代手機，VR將取代個人電腦」。要在消費性市場取得廣泛應用，智慧眼鏡需兼具時尚外觀、輕量化以及高黏著度的使用模式。當前主要的技術瓶頸在於顯示光學模組，例如microLED微顯示器以及虛實影像疊合的光學組件「Optical Combiner」整合模組。目前AR主流顯示光學模組技術有「Birdbath」及「Waveguide」兩種架構，前者光學效率較高但較厚重，後者則輕薄但效率低(~0.1%)。然而，兩者的AR視野角度都不足以提供充分的沉浸感，難以滿足未來XR (AR+VR)需求。
在目前技術與規格的權衡取捨下，AR眼鏡設計仍離消費性應用遠，多偏向特定使用場景，例如工業應用等AR頭盔式的設計，存在厚重和長時間穿戴不適等問題。為了在2030年前實現消費性市場的普及，除了持續優化目前的主流技術外，創新顯示光學模組架構成為各方追求的重點。本文將針對CES 2023和Photonics West 2023展會中的創新顯示光學模組架構進行概述，涵蓋AR microLED、雷射掃描(Laser Beam Steering; LBS)、直顯式Direct-View AR以及積體光學(Photonic Integration Circuit; PIC)等四項前瞻AR顯示光學模組技術。
高亮度microLED顯示填補AR Waveguide效率缺口
輕薄的"Waveguide" AR Combiner非常符合智慧眼鏡輕量時尚設計的需求，成為各大廠的主流布局方案。儘管Waveguide鏡片厚度可達1~2 mm，但光學效率偏低。光學系統效率通常使用光展量(Etendue)來評估，簡單定義為面積乘以立體角。在有限的Waveguide進光面積(Dia. 5 mm)及張角(FOVmax50˚)下，Waveguide的光展量(6.2 mm2sr)遠低於顯示光源的光展量(240 mm2sr, e.g. 0.34” microLED)。再加上Waveguide上用以擴大Eyebox的Pupil Duplication機制，顯示器的光量出Waveguide後實際入眼不到1/10，因此整體光學效率降至千分之一數量級，使得能提供百萬nits亮度的microLED顯示技術變得至關重要。
2022年推出首款microLED AR眼鏡的公司Vuzix，是可穿戴顯示技術、虛擬現實和擴增實境的供應商，在AR眼鏡發展及microLED技術導入上具代表性，因此本文以此為例進行介紹。回顧Vuzix近年來在CES的獲獎歷程，2020年將智慧眼鏡用於泳鏡AR，通過獨特的利基應用吸引關注；2021年著重時尚與舒適性；2022年以首款導入新一代microLED顯示技術的AR眼鏡著稱；2023年建立完整的智慧眼鏡microLED和光波導技術平台，具有輕量、時尚和節能特點，通過為品牌業者提供OEM方案，加速市場導入和滲透。(圖一)
圖一、Vuzix在CES獲獎歷程
獲得2023 CES Innovation Awards的智慧眼鏡技術平台，包括光學元件、顯示光機、光波導系統和白牌眼鏡整機方案。Vuzix的核心技術光波導鏡片作為目前智慧眼鏡主流光學技術具有競爭力。顯示器選擇了JBD的microLED綠光微顯示器，光學零組件部分則與舜宇光學合作，以完整串聯供應鏈。通過OEM模式，該公司期望將現有技術產品作為品牌廠商的產品力量，以擴大市場規模和提高利潤。(圖二)
在展場上，最具話題性且最先進的產品是Vuzix Shield microLED顯示款AR眼鏡。機車維修體驗情境展示了使用AR眼鏡掃描車身上不同位置的QR碼來獲得相應的維修輔助資訊。在室內，MicroLED顯示的實際入眼亮度具有良好的對比度和顯示品質。然而，當入眼亮度達到2000 nits並往戶外光亮處觀看時，仍然存在洗白(圖三右下)的問題。波導光學的低效率顯示了對顯示亮度的高要求。未來可以通過搭配動態和區域化顯示亮度調整來應對場景中可能出現的急劇亮度變化。此外，microLED顯示器在元件面積縮小和光場準直性提高方面，將是提高整體光學系統效率的關鍵，也是microLED AR微顯示產品化前需要克服的技術重點。
圖三、機車維修情境使用體驗
Vuzix已建構從元件到智慧眼鏡和應用App的完整智慧眼鏡技術，目前主要專注於特規及利基市場應用為主，透過OEM與品牌並行方式，偕同擅長使用情境開發的品牌業者和新創公司，開發高黏著度的使用模式，提高吸引消費者購買的使用誘因，是加速智慧眼鏡產品的推廣及普及的方向。
雷射架構具高光學效率，掃描速度是解析度和更新率的瓶頸
根據光展量守恆原則，較小的光源面積和更準直的光場更容易匹配AR光波導的光展量限制，雷射光源最能達到高光學效率的要求。結合眼動追踪技術，可以將顯示畫面精確投影到眼底，利用所謂的Pupil Steering避免Pupil Duplication擴瞳技術的光損耗。更可基於Maxwellian-View顯示方式，達成 ---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。