AR+AI智能眼鏡若想實現(xiàn)大眾普及，目前的顯示技術(shù)(如DLP、LCoS和MicroLED)卻成為了嚴(yán)重的制約因素。
Meta Ray-Ban AI智能眼鏡，以及Rokid、RayNeo、小米等眾多廠商推出的AI眼鏡大獲成功，證明了市場對這類設(shè)備存在真實需求。消費者之所以買單，是因為相比以往的嘗試，這一代新品不僅時尚輕便，更以極佳的便捷性融入了日常生活。用戶可以通過語音界面聽音樂、拍照，或是獲取導(dǎo)航指引。
為了讓這些設(shè)備更具實用性(甚至成為下一代主流移動計算平臺)，下一步的關(guān)鍵在于為其加入增強現(xiàn)實(AR)顯示屏。然而，AR+AI智能眼鏡若想實現(xiàn)大眾普及，目前的顯示技術(shù)(如DLP、LCoS和MicroLED)卻成為了嚴(yán)重的制約因素。
除了功耗高、體積大、制造困難且昂貴之外，這些顯示屏的表現(xiàn)也與人類視覺系統(tǒng)的預(yù)期格格不入。如果目標(biāo)是讓用戶全天候舒適佩戴，這些“人為因素”的痛點必須被解決。
AR+AI智能眼鏡面臨的人因挑戰(zhàn)
目前的DLP、LCoS和MicroLED顯示屏均依賴波導(dǎo)系統(tǒng)。波導(dǎo)是一種纖薄透明的鏡片，利用全內(nèi)反射原理，將微型顯示屏的光線引導(dǎo)至人眼，從而將數(shù)字圖像與真實世界疊加。
這些波導(dǎo)系統(tǒng)通過左右眼各一塊屏幕來生成立體影像，但它們存在一個致命缺陷：需要固定的焦平面，通常固定在距離眼睛約1m遠(yuǎn)的深度。這迫使顯示圖像只能在一個特定的深度上自然對齊，極大地限制了需要在不同深度精準(zhǔn)定位圖像的應(yīng)用場景。例如，如圖1所示，許多AR應(yīng)用(如導(dǎo)航)往往需要在同一畫面中，于不同時間向用戶展示不同深度的提示信息。
圖 1：一個需要在不同深度平面顯示圖像的AR應(yīng)用場景示例。(來源：Swave Photonics)
當(dāng)顯示系統(tǒng)只能將圖像投射在單一固定深度時，體驗往往會顯得不自然甚至令人不適。這主要源于著名的輻輳調(diào)節(jié)沖突VAC(Vergence-Accommodation Conflict)問題。簡單來說，當(dāng)觀看者預(yù)期在某個特定的現(xiàn)實距離(圖2左)看到圖像時，眼睛卻不得不聚焦在屏幕所在的另一個平面上(圖2右)。
VAC不僅會導(dǎo)致惡心、眩暈等不適感，更給需要全天佩戴的設(shè)備帶來了巨大挑戰(zhàn)。研究表明，至少需要3個焦平面才能滿足用戶的視覺舒適度，且焦平面越多越好。遺憾的是，對于基于波導(dǎo)的AR顯示器而言，目前尚無切實可行的解決方案來解決這一難題。
圖 2：AR顯示器中VAC示意圖。用戶期待看到的是特定距離的物體(左)，但實際上卻聚焦在了顯示屏幕上。兩者之間的差異即為沖突。(來源：Swave Photonics)
處方眼鏡(近視/遠(yuǎn)視矯正鏡片)是另一大挑戰(zhàn)。全球近40億人佩戴眼鏡，約75%的成年人需要視力矯正。AR顯示器必須兼容這類用戶，目前的方案通常是在波導(dǎo)系統(tǒng)中額外加入定制的矯正光學(xué)元件。這不僅增加了供應(yīng)鏈的成本、重量和復(fù)雜性，也給最終用戶帶來了極大的不便。
要解決上述核心人因工程需求，答案在于全息技術(shù)。全息技術(shù)由Denis Gabor于1947年發(fā)明，與晶體管的發(fā)明同年。與使用波導(dǎo)的傳統(tǒng)顯示器截然不同，全息技術(shù)并非投射平面圖像，而是重建光的波陣面。因為它重現(xiàn)了真實物體發(fā)出的光線，人眼能感知到自然的深度線索并正確聚焦，從而從根源上解決了VAC。
然而，盡管自75年前發(fā)明以來，全息技術(shù)頻頻出現(xiàn)在科幻電影中，但動態(tài)全息顯示卻一直難以真正落地。
為什么動態(tài)全息技術(shù)如此困難？主要原因在于像素尺寸。視場角(衍射角)與像素尺寸之間存在極強的非線性關(guān)系。下圖(圖3)展示了這一關(guān)系：一旦像素尺寸小于光的波長，視場角便會迅速增大。這是合理的，因為像素本質(zhì)上是在操控光束，其尺寸必須小于所操控光的波長才能實現(xiàn)有效的光束轉(zhuǎn)向。
目前主流顯示技術(shù)(DLP、LCoS、MicroLED)的像素尺寸約為2μm，比所需尺寸大了一個數(shù)量級。這使得動態(tài)全息技術(shù)在過去難以實現(xiàn)。
圖 3：紅(640nm)、綠(520nm)、藍(lán)(440nm)光波長的視場角與像素尺寸關(guān)系。當(dāng)像素尺寸小于光波長時，視場角迅速增大。(來源：Swave Photonics)
破局：半導(dǎo)體全息調(diào)制器
近年來，基于半導(dǎo)體的全息調(diào)制器取得了突破，使動態(tài)全息技術(shù)終于具備了緊湊化的可能。
通過使用相變材料作為像素，人類首次實現(xiàn)了小于光波長的像素尺寸(圖4)。這種材料通過快速加熱，能在晶態(tài)和非晶態(tài)之間切換，從而改變其折射率等光學(xué)特性。相變材料早已被廣泛用于可重寫DVD或嵌入式非易失性半導(dǎo)體存儲器中。
因此，這些相變納米像素可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS晶圓代工工藝制造。這使得動態(tài)全息顯示器不僅成本極低，且具備極佳的可擴展性——這是一種結(jié)合了光子學(xué)技術(shù)與CMOS半導(dǎo)體經(jīng)濟性的方案。
圖 4：采用250nm相變納米像素的動態(tài)全息顯示器。(來源：Swave Photonics)
全息顯示器利用計算衍射來形成圖像，它用光學(xué)復(fù)雜性換取了計算能力，從而得以利用摩爾定律的紅利。全息技術(shù)能實現(xiàn)真正的3D圖像定位和動態(tài)景深控制，無需額外的光學(xué)元件即可解決VAC和視力矯正問題。
如今，數(shù)億甚至數(shù)十億個相變納米像素已能集成在一枚微型CMOS芯片上。這些動態(tài)全息顯示器能夠以高光效、超薄外形和低功耗，呈現(xiàn)出人眼視覺系統(tǒng)所期待的真實3D影像——這正是AI+AR智能眼鏡實現(xiàn)大眾普及的關(guān)鍵所在。
(原文刊登于EE Times美國版，參考鏈接：Why Today's AR Displays Fall Short and a 75-Year-Old Idea May Help，由Franklin Zhao編譯。)
本文為《電子工程專輯》2026年5月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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