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ST:激光束扫描是AR眼镜的最佳技术
来源: 半导体行业观察 | 作者:devin | 发布时间: 751天前 | 560 次浏览 | 分享到:
过去各种VR、AR、MR的技术蓬勃发展。VR即为虚拟现实,讲求外部视觉屏蔽和身临其境的体验。AR是增强现实,它能将数字内容覆盖显示于现实世界场景中,其最重要的用例就是智能眼镜。MR称为混合显示,它是现实和虚拟世界完全融合,具有视觉上准确的深度、视角、纹理、阴影等。今天我们来探讨下AR,特别是智能眼镜的发展,究竟有没有一项技术能够让智能眼镜快速的普及?


想象下,如果要打造一款适合全天候佩戴的AR眼镜,它应该重量很轻,小于60克;还要美观时尚;而且功耗要低,需要小于1W,更甚之要小于0.5W;如果户外佩戴,显示亮度要达到1000尼特,才能在镜片上获得清晰的图像;还要考虑显示性能参数,比如视场角和分辨率。

现在意法半导体(ST)提出了一个可实现可全天候佩戴 AR眼镜的最佳解决方案,它就是激光束扫描 (LBS) 技术。

LBS:一项成熟的技术


在了解LBS技术之前,先来看下ST在MEMS方面的实力。ST已经在MEMS市场深耕了20 多年。目前ST的运动MEMS在个人电子和汽车远程信息处理市场上的份额高达50%,是消费类MEMS应用市场的第一大厂商,目前出货量已超过 200 亿片;还是第一大微机械致动器厂商,最著名的应用是喷墨打印机。不止于这些,ST还是第一大MEMS微镜厂商,其是全球排名第一的 MEMS LBS 解决方案制造商。

微镜是智能眼镜的增强现实的核心,微镜振动、运动,在镜片上生成图像。据意法半导体亚太区模拟器件、MEMS和传感器事业部 (AMS) MEMS产品及应用副总裁、智能手机创新中心负责人Davide BRUNO的介绍,现在,ST有三种不同的MEMS微镜技术:静电微镜、电磁微镜、压电微镜,其中压电微镜是最重要的,因为它可以优化光机功耗和外形尺寸。压电微镜是最新的MEMS微镜技术。在晶圆制造方面,这些MEMS是在ST位于意大利米兰和新加坡的8英寸晶圆厂生产。在光机系统中有许多激光管驱动器和微镜驱动器。这些产品都是使用ST的专有技术BCD生产的。可以毫不夸张的说,要想实现小尺寸和低功耗,肯定离不开压电MEMS微镜技术。

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很多人可能不太了解LBS技术,但它绝不是一项新技术,国际大厂如微软、North和英特尔都在使用LBS技术。LBS还用于汽车激光雷达。在终端用户设备方面,比较新的应用是患者手臂静脉的医疗设备。所以LBS并不是什么新东西,而是一种成熟的、已经过市场全面检验技术。

说到LBS这项技术,ST早在10年前就开始布局。大约2012年,ST收购了首家微型投影仪公司bTemdo,并推出了市场上第一个微型投影仪,然后ST便转向了其他应用领域,例如,英特尔笔记本电脑Realsense视觉技术。ST还与Microvision进行了非常广泛的长期合作,并在市场上推出了多款产品。两年前,ST与North合作推出了第一款智能眼镜。然后,他们又与英特尔合作开发Realsense机器视觉产品。现在,ST又带来了首个完整的AR眼镜光学引擎方案。

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为何LBS是最理想的?


让我们从LBS的工作原理看起,据意法半导体亚太区模拟器件、MEMS和传感器事业部 (AMS) MEMS光电技术研究员杨家逢的介绍,LBS系统主要是由激光和光学元件,以及MEMS mirror组成。RGB三色的激光管从激光模组发出后,经由光学元件做准直以及合光以后,抵达MEMS mirror,经由MEMS mirror(ST称这套系统为“光机”)反射出来以后,会耦合到波导里面。波导就像一般眼镜的镜片一样,影像会在波导里面传递,然后最终投影到使用者的眼睛里面。在这个激光以及相关元件的驱动上,ST也有设计的参考的电路板。借由这样的设计,就可以实现高亮度、低功耗、以及轻薄的AR眼镜方案。

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既然说LBS是最理想的,自然要与业界其他竞争技术来比一比。相较于µLED、LCoS和DLP等技术,LBS技术在显示方面具有较少的画面滞留,因为激光扫描技术的反应时间大约是10纳秒,而其他光源是毫秒等级。再者,其具有低延迟的优势,因为MEMS mirror是进行逐像素的渲染更新,而其他技术是每一帧每一帧的帧缓冲。另外,LBS采用的是激光光源,亮度也较高,在106尼特。再来就是功耗方面,LBS采用的是行缓冲,其他技术是帧缓冲,再加上ST在压电微镜驱动器中采用了能量挥手技术,而且ST激光驱动器具有预判逻辑的功能,在少数连续像素关闭时,可实现快速的开/关转换,因此功耗会更小。

此外,LBS在体积和重量上也有优势。由于ST采用的是单一像素扫描更新,当客户需要扩大视场角和解析度的时候,ST可以调整MEMS mirror的振动频率和反转角度,以达成不同的视场角和解析度。相较于其他竞争者,他们必须在尺寸上做放大,来达到更高的解析度和更大的视场角。那么在产品/光机的尺寸上,他们就没有办法比LBS技术做得更小。

所以,与市场现有的AR技术相比,LBS光机的体积比其他三个小很多。而且,纯黑色可取得更高的对比度,色彩也比其他技术丰富很多。激光束的色域比其他技术宽得多。LBS无疑是当今所有可用的智能眼镜技术中更佳的技术。

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ST MEMS ScanAR,一站式购齐LBS


一个完整的AR眼镜包括光机和电子系统,而且最终显示模组还要配备波导镜片。ST提供所有MEMS微镜、三合一激光二极管、光机、激光二极管驱动器和MEMS驱动器等产品。其中ST与欧司朗合作开发了三合一的激光二极管,波导镜片是与广达电脑 (Quanta Computer) 合作,他们正在研制成品。

但是需要明确的一点,客户也无需四处寻找多个供应商去购买零件。在ST MEMS ScanAR就可以一站式购齐LBS全部解决方案,MEMS ScanAR提供LBS系统的全部硬件,而其合作伙伴将通过LaSAR 联盟提供其余的组件。

LaSAR联盟(增强现实激光扫描联盟) 的成立宗旨是联合志同道合的公司和组织建立一个生态系统,促进和鼓励成员企业在联盟内开发和推广技术、元器件、设备、方法和解决方案,实现智能眼镜、头戴式显示器等AR穿戴设备的高效研制。ST是联盟创始人。

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LaSAR联盟成员

目前ST MEMS ScanAR光机方案有STAR0和STAR1这两种。STAR0的光学对角线可视角 (FoV) 是56度,输出亮度是1.5~10 流明,解析度有600p,光机的尺寸有0.75cc,使用的是静电式的MEMS mirror。STAR1改用了新的Thin Film Piezo MEMS mirror的光机,目前已经有样篇可以提供。STAR1改善了其中几项特性,将光学的可视角提高到了65度,将解析度从600p提高到720p,以符合目前全天候佩戴AR眼镜的需求。此外,在光机尺寸的部分,还可以将光机缩小成小于0.7cc的尺寸。相对于STAR0的光机, STAR1的功耗可以减少50%。

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那么Thin Film Piezo MEMS mirror是如何增强STAR1光机的特性呢?据杨家逢的解释,他们设计了新的MEMS Mirror驱动器。在MEMS mirror的控制回路与线性/谐振微镜驱动器外,还新增能量回收与低噪位置感测架构,以达成更低功耗。再就在薄膜压电谐振微镜和线性微镜中,采用了PεTRATM 高效的薄膜压电驱动制造工艺,使得MEMS mirror可以达到更高的谐振频率与更大的开阖角,以此达成光机更大的视场角与解析度。

ST也正在量产采用PεTRA 1.0技术的微镜,最近这项技术已经升级到PεTRA 1.5。技术在朝着两个方向发展:减小芯片尺寸或者提高致动性能。下一代的STARx与STAR1相比,性能相同,而线性微镜芯片尺寸缩减30%,谐振微镜功耗降低一半,或者芯片尺寸和功耗不变的情况下,分辨率达到1080P或90度FOV。这足以体现出ST压电致动器工艺规划
LBS扩展能力。

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这些年,ST在推动LBS技术的发展中作出了不少努力。2020年10月,ST 与 A*STAR 和 ULVAC 合作在新加坡建立世界上第一个厂内实验室(Lab-in-Fab),在这个实验室,初创企业和发明家可以直接在ST的晶圆厂设立自己的实验室,他们可以改进解决方案和技术设计,而且产品上市时间比租用大型代工厂和大型生产线更快,这个模式目前在业内是全新的、独一无二的。2020年11月,ST与广达签署了合作协议,开发一个AR智能眼镜成品参考设计。今年3月ST还与 OQmented 签订合作协议,为AR和3D传感市场提供更好的扫描技术。

结语


目前,只有一种制胜的技术将在AR眼镜市场占据主导的地位,那就是激光束扫描技术(LBS)。随着适合全天候佩戴的AR眼镜问世,AR眼镜将在最短的时间内快速普及,就像手机一样,在改善我们的日常生活中发挥关键作用。或许,五年后,我们会像今天戴眼镜一样戴上AR 眼镜。而在这其中,ST将是至关重要的推动者。



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