[原创] ST：激光束扫描是AR眼镜的最佳技术
2021-11-27
14:00:21
来源: 半导体行业观察
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。
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。
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。
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。
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10 6 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。
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。
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%。
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
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。
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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