LCoS光源选型终极指南：LED与激光的对决

本文讨论了AR眼镜中LCoS照明光源的选择和LCoS照明光路的设计准则，讨论了使用LED或者激光作为照明光源的差异性。

LCoS（Liquid-Crystal-on-Silicon）的全称为硅基液晶，也就是在硅基底上铺液晶对光进行调制，可以看出其与LCD（Liquid-Crystal-Display）同源，都是利用液晶对光的偏振态进行调制，然后利用偏振片达到调制光的强度或相位的目的。下面为液晶改变光的偏振态的原理：液晶具有双折射的性质，也就是存在快慢轴，液晶在快慢轴偏振方向的折射率不一致，经过液晶层之后，快慢轴方向就存在相位差，导致光线偏振态发生变化，使得光线强度或者相位的变化。

虽然LCoS与LCD都是利用液晶调制，但是LCoS相对于LCD具有较大的优势如高能量利用率、高分辨率、高对比度、色彩丰富、自然3D图像的生成等。综合以上的优势，LCoS可应用于高端的投影设备，如需要高亮度、高对比度，AR/VR头显，需要小尺寸、高分辨率的场景。

在AR眼镜行业，显示源可以分为以下几种LCoS、DLP、OLED、Micro LED、LBS等。其中LCoS凭借技术成熟、成本低等优势成为当前行业较为主流的选择。多家采用LCoS显示源+光波导的技术路线（如Meta的Ray-Ban display采用了LCoS作为显示源（3颗LED作为LCoS的照明模组的光源），利用几何光波导将显示源的图像传播到EyeBox位置进行耦出），其中光波导的技术又可以分为几何光波导和衍射光波导（衍射元件的耦入耦出元件可以分为表面浮雕光栅、体全息光栅、偏振光栅、超表面等），其中表面浮雕光栅、体全息光栅被广泛使用在现有的AR眼镜中（如HoloLens、Magic Leap、WaveOptics、Dispelix、DigiLens），偏振光栅、超表面为当前的研究热点，暂未大规模商用。若选择LCoS作为显示源，由于其不能自发光，需要外加照明模组对LCoS进行照明发光，以下为LCoS照明模组的光路示意图：

光源发出的光线需要经过TIR透镜（或者反光杯）收光，收集大角度光线的能量（提高能量利用率），然后经过微透镜阵列（积分透镜）的匀光，经过中继透镜到达PBS膜（透P反射S光），最后打到LCoS上，照亮LCoS，作为LCoS的照明显示源。除了使用TIR+微透镜阵列匀光的方式，一些方案采用匀光棒的方案进行匀光，可达到的均匀光较高，但是对横纵比要求，一般要求至少在匀光棒内发生3次TIR反射，导致其结构体积较大，所以多采用TIR透镜对光源发出光线准直的比较多。

当前LCoS显示源的照明模组主要分为LED光源与激光光源两种，其中LED光源方案相对成熟可靠，具有成本低、功耗低等优势，但是由于LED光源为半球面内发光（发光全角度为180°），导致其亮度不足，不适用于强光场景使用。激光光源作为新一代的LCoS光源，存在许多的优势如光束方向性强、单色性好、亮度高等优势，但是成本较高、功耗高、散热问题突出，同时激光的相干性易产生散斑、摩尔纹，需要外加光学件消除，进一步增加成本。下面从照明模块的光学设计的角度出发来比较LED与激光作为光源的优劣。

光学设计角度对比LED与激光光源

一般来说，光源光展量越小，就越便于对光源发出的光束进行操控，实现准直或者匀光照明的目的，以下给出LED与激光的发光角度分布图，其中激光的发光角度较小，LED为半个球面内发光，

这里给出光展量的计算公式如下，

从公式来看，在发光面积一致的情况下，激光光源的发光角度小，则其光展量小，仅需少量准直光学元件即可对激光发出光束进行整形或者匀光设计，利于光机系统的轻量化设计

对于半球面内发光的LED光源来说，若需要收集其发出的所有角度光线，则只有使用TIR透镜，根据光展量守恒（光学系统第一个面发出的光展量等于系统最后一个面接收的光展量），若需要收光性能越好，则TIR透镜的半径越大，导致光学模组的体积越大，并且大角度光线如果耦合进波导之后，很有可能变成杂散光，干扰正常图像的显示，如下为TIR透镜半径对收光角度影响的对比：

对于小角度发光的激光光源来说，则可以使用凸透镜对光线进行准直（无需使用180度收光的TIR透镜）。从数学角度上来看，激光光源的准直效果会比较好，因为激光光源发出的光线与准直透镜的夹角较小，近似为线性共轴光学，准直效果好，同时小角度带来的菲涅尔损耗也较小，能量利用率进一步提高。凸透镜小的收光半径可减小光学系统的体积和重量，如下，

对光源收光模块来说，激光相对于LED的优势明显，其经过收光之后的角度较小，能量利用率高，更容易耦合进入波导，并且产生大角度杂散光的风险也较小

从中继透镜的设计来说，因为激光光源收束之后的角度小于LED光源，也就是说其孔径NA小于LED光源，导致其光线在中继透镜上的夹角较小，更加近似于近轴高斯光学，有利于后续中继透镜的设计，如下，

从后续投影镜头的设计来说，LCoS照明模块接收到的光展量大于或等于LCoS投影模块发出的光展量，确保投影模块所用到的光线锥内均有光线，如下所示，

激光光源的发散角较小，根据光展量守恒原理，则其在LCoS上照明模块所产生的光锥也较小，便于提高照明模块的能量利用率（照明模块光展量只需要稍微大于投影模块的光展量，能量利用率较高）。因为激光为偏振光源，LED为非偏振光源，在理想情况下，激光光线可以完全被PBS膜反射，LED发出能量的一半被PBS反射（另一半透射，无效），所以激光光源相对于LED光源能量的利用率较高。

画面生成质量角度对比LED与激光光源

从画面生成质量上来看，LCoS的开口率较大，十分适合用高功率密度的激光光源照射到LCOS 芯片的有效显示区域，显著提高LCoS的亮度，轻松实现AR眼镜画面的高亮度输出。同时RGB三色激光可以覆盖超广色域，高于LED的色域（LED宽谱线导致色彩饱和度不佳），实现彩色图像高饱和度显示。

总结

虽然激光光源拥有以上的优势，但是仍然存在以下的一些劣势，阻碍其大规模应用，如因为激光为相干光源，导致激光照射到 LCOS 芯片表面时，反射光会发生干涉，在画面上形成随机分布的 “颗粒状斑点”，也称散斑噪声（目前业界有使用旋转Diffuser消除散斑噪声的方法提出）。散斑噪声见下图a），b）为消除散斑噪声。同时激光的能量密度极高，LCOS 芯片本身也会产生热量，二者叠加对散热系统提出了远超 LED光源的要求。散斑很难彻底消除，因为这是激光的物理本质所致。这成为制约激光+ LCOS 方案普及的关键挑战。而这一痛点，正是半导体激光光源领先企业光峰科技（688007.SH）的核心技术优势所在，光峰科技深耕半导体激光光源技术十多年，对于消除激光散斑早已是行业NO.1的存在。从光学同行得知，光峰科技还在高功率半导体激光器方面取得重大突破，可以针对AR眼镜的特定需求，对激光器实现针对不同功率的批量定制，这将是极大的竞争优势。

最后激光光源的成本相对于LED来说，仍然较高，其价格是LED光源的数倍之多，影响激光光源的普及。

若能解决以上的问题，激光的相对于LED光源的优势比较明显，不管是从光学设计、图像画面显示的质量、还是光学系统轻量化的角度来看，激光光源都是一个更优的选项

从设计的角度来看，激光作为光源的照明系统设计质量比LED作为光源的高，其颜色的显示性也更好，更加契合AR眼镜未来的发展，但是需要进一步地降低激光光源的成本与解决散斑等噪声所带来的成本上升。总体来看，我们推荐室内使用场景较多、对亮度要求低的AR眼镜，使用LED光源。室外使用场景较多，对亮度要求高或者对颜色还原度较高的使用场景，使用激光光源，其高功率密度产生的高亮度对抗外界的环境光影响，同时其三色激光可以较好地还原色彩真实度，叠加其光束的强方向性，减少内部杂散光的干扰，更适合室外场景的使用。

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