HoloLens 2 是微軟於2019年發佈的第二代AR眼鏡，價格3500美金。HoloLens 2 上市後用戶發現微軟在眼鏡內放置了兩臺“激光投影儀”！AR眼鏡裡為什麼要放“激光投影儀”？是什麼樣的技術讓微軟在那麼小的空間塞下兩臺激光投影儀？激光投影技術產業鏈是怎樣的？今天，就通過這篇文章給大家做個分享。
使用HoloLens 2 進行團隊合作，來自微軟
AR眼鏡的光學輸出系統：光波導+光機
AR眼鏡的結構由輸入、輸出、“計算/存儲/通信”和電源共四部分構成，光學輸出部分由光波導和微投影設備（業界簡稱光機）構成。如果把AR眼鏡比作電腦的話，光機就是投影儀，而光波導則是投影幕布。
AR眼鏡結構圖，來自黑毛警長008
光波導可以理解為在玻璃上做出來的投影幕布，這塊幕布的特別之處是它看起來是透明的，但同時還可以將投影儀投射的影像顯示出來。也就是說透過這塊光波導，用戶不僅能夠看到現實世界，還可以看到一個疊加的影像。用戶看到的現實世界，被所疊加的影像“增強”了，這樣就是AR（增強現實）名稱的由來。
Hololens 2拆解圖，來自微軟，黑毛警長008標註
關於AR的結構和光波導，警長曾經寫過一篇文章做過詳細描述，需要補課的同學，可以點擊鏈接
Hololens 2光機+光波導模組示意圖，來自微軟，黑毛警長008標註
光機分類：LCoS、DLP和LBS
光機本質上就是投影儀，只不過是體積比較小而已。投影技術主要有LCoS和DLP，早期還有LCD投影儀，但目前已經基本被淘汰。微投影技術，目前主要包括LCoS、DLP和LBS。下面我們對三種技術一一介紹。
LCoS投影原理，來自elecfans，黑毛警長標註
LCoS的全稱是Liquid Crystal on Silicon，即硅基液晶。LCoS是一種用CMOS技術在硅基芯片上加工而成的液晶材料。LCoS使用外部白光作為光源，白光源被分色鏡分為紅綠藍三原色，並分別投射於三塊LCoS芯片上。每塊芯片分別顯示一種顏色的圖像，這樣光源在芯片反射後就攜帶了圖像信息，當三幅圖像被合併後，就形成了一幅攜帶完整色彩信息的圖像。
LCoS的特點是技術成熟，成本低，但缺點是亮度和分辨率不佳，功耗大，體積大。對於微投影技術來說，LCoS雖然存在諸多缺點，但是由於其技術成熟，被應用在很多早期的AR眼鏡中，比如微軟的HoloLens一代和MagicLeap 一代。
微軟HoloLens一代的LCoS光機體積巨大，來自quora.com
DLP，Digital Light Procession，即數字光處理。DLP和LCoS一樣也需要外部白光作為光源，不同的是，LCoS的像素信息是由硅基液晶提供，而DLP則是由MEMS微鏡（業界稱之為DMD，數字微鏡設備）提供。
DLP技術原理，來自tgbus.com
DMD是由微機電技術在基材上加工出上百萬甚至更多的反光鏡，每個反光鏡的角度都可以被獨立控制，並與像素一一對應。當把反光鏡角度控制在“Off”狀態下，光源會被反射到“吸光盒”，不會被投射出去。反之，如果反光鏡角度在“On”狀態下，光線則會被投射出去。這樣，通過控制每個微鏡的狀態，就可以反射出一幅完整的圖像。
顯微鏡下的DMD微鏡陣列，來自意法半導體
和LCoS技術一樣，DLP技術也很成熟。但是他們都有一個共同點，都需要外部白光光源。這個特點對於普通投影儀來說並不算個太大的問題，但是對於AR眼鏡來說卻是個很大的瓶頸。
外部光源首先是需要額外的空間放置光源及相關的分光鏡、色輪等組件，這就增加了體積，二是亮度不夠高，三是功耗大，四是發熱量高。LCoS和DLP的光源中，僅有部分光能是投射出去的，這不僅導致了能耗高，更糟糕的是，這些未被投射出去的光能並不會憑空消失，而是會在光機中轉化為熱能，導致光機溫度升高。
功耗大，意味著眼鏡的待機時間短，而發熱量大則意味著用戶的使用體驗變差（請自行腦補一下腦袋上頂個小火爐的感覺）。對於AR眼鏡來說，不僅需要光機的體積小，亮度高，更重要的是要功耗小，發熱量低。而LCoS和DLP都需要外部光源，意味著它們先天就無法作為AR眼鏡的最佳選擇。那麼，是否有微投影技術能解決以上難題呢？這就要說到咱們的主角LBS了。
LBS光機原理，來自Bosch
LBS，Laser Beam Scanning，激光束掃描。上面動畫顯示的是LBS的基本原理。三個激光器分別發射紅綠藍三束激光（部分光機會增加激光頭，發射紅外光或者多個紅光，動圖中的博世用了兩個紅光激光頭）。激光通過稜鏡進行合併後，投射向MEMS Micro Mirror（微機電微鏡），微鏡在控制下扭轉其反射角。通過不斷變化的微鏡反射角，光線就會被投射到對應的像素位置，從而掃描投射出一幅完整的圖像。
LBS的激光器在每一個瞬間，發射出一個像素所需要的光束，在這這一瞬間，微鏡也將其反射角對應到幕布上的特定的像素位置。在下一個瞬間，激光器發射出下一個像素所需要的光束，同時LBS微鏡扭轉角度到下一個像素的位置。週而復始，這樣就可以通過激光器和微鏡的配合實現圖像的輸出。
之前在說DLP的時候也提到MEMS微鏡，但DLP有上百萬甚至更多的微鏡，每個微鏡對應著一個像素，微鏡角度只有ON/OFF兩種狀態，ON的時候將其微鏡角度可以將對應像素的光反射出去，OFF的時候其角度扭轉，將光反射到光機內部的吸光盒。
而LBS只需要兩個甚至一個微鏡。
MEMS實物，來自Microvision
MEMS掃描鏡不僅能夠用於光機，而且還可以用於HUD抬頭顯示器和激光雷達Lidar。關於HUD和Lidar，警長以後再做詳述，本文聚焦光機。
微鏡原理，來自youtube
上圖是LBS內的微鏡的原理圖，可以看到，LBS的微鏡在電磁驅動下（也有靜電或者壓電等其他驅動方式）能夠在X軸和Y軸兩個軸向扭轉。當Y軸進行扭轉時，光線就水平掃描到幕布上，當X軸進行扭轉，光線則垂直掃描到幕布上，因此業界也會稱呼LBS的微鏡為MEMS掃描鏡。如果一塊微鏡能實現X軸和Y軸兩個軸向扭轉，這種微鏡被稱為雙軸掃描鏡或者2D掃描鏡。上圖就是Microvision公司的雙軸掃描鏡。
除了雙軸掃描鏡外，也有單軸掃描鏡（或稱1D掃描鏡），只在一個軸上扭轉。
單軸微鏡實物，來自微軟
上圖就是微軟使用的單軸掃描鏡。光機需要兩個掃描鏡進行組合，一個掃描鏡負責水平掃描，另外一個負責垂直掃描。
HoloLens 2光機結構，來自微軟
2D掃描鏡和1D掃描鏡各有優缺點，2D掃描鏡更加複雜，成本更高，體積更小，但是分辨率和刷新率不如兩個1D掃描鏡的組合。比如2018年Microvision公司就能夠使用雙微鏡實現2K（2560 x 1440）分辨率，刷新率達到120Hz，而同期其2D掃描鏡光機能實現的分辨率僅為720P（1280×720）。如上圖所示，微軟HoloLens2的光機有兩個1D掃描鏡，一個掃描鏡負責水平掃描，掃描頻率比較高（2萬赫茲以上），被稱作高速掃描鏡。而在垂直方向，需要的掃描頻率不高（幾十~幾百赫茲），因此被稱作低速掃描鏡。
假設需要投射一幀圖像，一半像素是全黑色，一半像素是全白色。那麼無論是LCoS還是DLP，光源都必須全功率輸出白光，但是白光中只有一半的光會被投射到屏幕上，另外一半的光則會停留在光機中變為熱量。而對於LBS來說，在生成黑色像素時，激光根本不發射，這樣一來是減少了不必要的能耗，二來是不會產生不必要的熱量，三來還可以提高圖像的對比度。
相比DLP和LCoS，LBS的結構更加簡單，體積更小，能耗更低，發熱量更小，這些屬性都更加適合AR眼鏡的要求。因此雖然價格更高，微軟也毅然決然的在2代HoloLens上用LBS替代了LCoS。
LBS光機產業鏈
LBS光機產業鏈從上游到下游分別包括：MEMS微鏡設計、MEMS微鏡製造、LBS光機設計、LBS光機制造、LBS光機應用。
LBS光機產業鏈，黑毛警長008
MEMS微鏡設計領域：Microvision（美國）、Bosch（德國）、濱松（日本）、Mirrorcle（美國）和Maradin（以色列）
MEMS微鏡製造領域：意法半導體（意大利）和Bosch（德國）
LBS光機設計領域：Microvision（美國）和Bosch（德國）
LBS光機制造領域：歌爾（中國）和Bosch（德國）
LBS光機應用領域：微軟、索尼
LBS的業界翹楚當屬美國的Microvision（微視），這家公司成立於1993年，擁有超過500項專利。2012年Microvision在CES上發佈了世界首臺720P光機模組。2016年Microvision和意法半導體合作，由意法為其代工MEMS微鏡。2017年Microvision與歌爾合作，由歌爾為其代工LBS光機模組，並應用於索尼微型激光投影儀上。2018年Microvision發佈2K分辨率+120Hz刷新率的雙微鏡光機。
Microvision手握大量專利，其光機性能長期無人能及，實際上處於壟斷地位。根據美國AR技術大神Karl Guttag分析，微軟HoloLens 2所使用的光機技術，也來源於Microvision。
博世早期和Microvision曾經有過合作，但最近兩年開始發力自己單幹，提供了完整的光機解決方案。博世的產品性能距離Microvision還有很大差距，比如Microvision在2018年就能提供2K分辨率光機，但博世至今能提供的光機分辨率最高僅1280 x 600，尚不及Microvision在2012年的水平。但隨著光機市場需求的快增長，博世不會對這塊蛋糕熟視無睹。考慮到博世的規模和體量遠大於Microvision，一旦其開始大規模投入LBS光機，未來不排除看到博世和Microvision兩家並駕齊驅的局面。
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