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ST:LBS是开发AR眼镜应用的最佳技术
 

【作者: 王岫晨】2021年12月06日 星期一

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关于扩增实境(AR),大家很清楚「实境」有不同的含义。第一个是虚拟实境,即个人完全沉浸在虚拟世界的体验中。接着是扩增实境,即把简单的数位内容覆盖显示在现实世界中。意法半导体亚太区类比元件、MEMS和感测器事业部(AMS) MEMS产品及应用副总裁、智慧手机创新中心负责人Davide BRUNO认为,智慧眼镜是最重要的扩增实境使用案例。至于混合实境,这个概念介于虚拟实境和扩增实境之间,具有相似的特性。因此我们有必要进一步了解扩增实境,特别是智慧眼镜,以及ST技术如何让智慧眼镜能更快速地导入市场。



图一 :   VR、AR与MR
图一 : VR、AR与MR

首先,要先弄明白要讨论的是哪种眼镜。眼镜的主要特征或特性是能适合全天候佩戴。如果每天都必须配戴眼镜,左侧这样的解决方案肯定不适用。当然,左侧这个设计也很复杂,我们不确定是否会出现在市面上,因为每天都配戴这样的眼镜很不舒适,而且更多地是混合现实技术。因此,我们正在寻求的智慧眼镜是与我们日常生活中所佩戴的眼镜非常相似,即设计时尚、轻便,而且非常漂亮。总而言之,我们想要追求的是一副适合全天候佩戴的AR眼镜。



图二 :   眼镜型态
图二 : 眼镜型态

开发这样的眼镜需要注意几个参数,例如,重量应该很轻,低于60克。但是,Davide Bruno认为,最重要的是第二点,设计应该美观时尚。所以,外观尺寸非常重要,这意味着我们今天使用的硬体、电池和所有系统必须非常精实,而且体积非常小。另一个非常重要的参数是功耗。我们希望智慧眼镜可以使用一整天,就如同使用智慧型手机,晚上充电,白天使用。然后,当我们想要户外体验,也就是户外使用时,亮度是一个关键问题。



图三 :   适合全天候配戴之AR眼镜需求
图三 : 适合全天候配戴之AR眼镜需求

所以,我们需要达到特定的亮度才能在镜片上看到非常清晰的影像。显示参数有视角和解析度。这些是重要参数。意法半导体只有一种技术方案,那就是雷射光束扫描(LBS)解决方案,可以实现全天候佩戴的AR眼镜。接下来我们看看为什么只有LBS技术可以满足这一需求。



图四 :   MEMS微镜
图四 : MEMS微镜

在LBS技术中,可以看到有两个MEMS微镜,我们想在每天佩戴的智慧眼镜中实现所有这些功能。这两个微镜反射雷射光束,透过MEMS微镜的震动,一个像素一个像素的扫瞄出影像,这是非常重要的一点,是与其他技术的不同之处。



图五 :   ScanAR技术
图五 : ScanAR技术

扩增实境(AR)是一种可将简单的数位内容叠加到现实世界的系统,智慧眼镜是AR一个最佳应用。哪种技术更适合实现全天候佩戴的智慧眼镜?当然是雷射光束扫描(LBS)技术,我们将证明为什么是这样。 ST是这个领域先行者,ST LBS解决方案中的所有产品都使用ScanAR商标。



图六 :   ST的LBS承诺
图六 : ST的LBS承诺

Davide Bruno指出,LBS是实现AR的最佳技术,关键在于AR系统的复杂性,而ST与合作伙伴共同建构的生态系统,也可以协助客户加速智慧眼镜产品的研发和上市。



图七 :   ST的MEMS技术
图七 : ST的MEMS技术

关于ST的公司概况,ST已经在MEMS 市场深耕20多年。今天,我们在动作MEMS市场拥有非常大的市占率。 ST是消费性MEMS应用市场的第一大厂商,出货量已超过200亿片。 ST还是第一大微机械致动器厂商,其中一项著名的应用是喷墨印表机。不仅如此,今天,ST亦是第一大MEMS微镜厂商。



图八 :   ST的MEMS微镜技术
图八 : ST的MEMS微镜技术

接着看看ST的具体技术。微镜是智慧眼镜的核心,透过微镜震动,在眼镜上产生影像。今天,ST有三种不同的MEMS微镜技术:静电式、电磁式、压电式,其中压电式是最重要的,因为它可以优化光机功耗和外形尺寸。压电式微镜是最新的MEMS微镜技术。在晶圆制造方面,这些 MEMS是在ST位于Agrate(义大利米兰)和新加坡的8 吋晶圆厂生产。在光机系统中,有许多雷射驱动器和微镜驱动器。这些产品都使用ST专有技术BCD生产的,仍然在我们的义大利米兰和卡塔尼亚的8吋晶圆厂生产。要想做到小尺寸和低功耗,肯定离不开压电MEMS微镜技术。



图九 :   LBS技术
图九 : LBS技术

LBS并非是非常新的技术吗。这是一个已经商用的成熟技术, 例如,微软、North和英特尔都使用LBS技术。 LBS还能用于车用光达。在终端使用者设备方面,比较新的应用是侦测患者手臂静脉的医疗设备。因此,LBS不是新推出的东西,而是一种成熟的技术,已经过市场全面检验。



图十 :   LBS成功案例
图十 : LBS成功案例

ST 雷射光束扫描技术的成功案例始于10年前,约2012年,ST开始推出市面上第一个微型投影仪,然后转向了其他应用领域,例如,英特尔笔记型电脑Realsense视觉技术。 ST与Microvision进行了非常广泛的长期合作,并在市面上推出了多款产品。两年前,ST与North合作推出了第一款智慧眼镜。然后,又与英特尔合作开发Realsense机器视觉产品。 ST的微型化AR眼镜光机这是一个很长的成功案例,有许多产品已经上市。



图十一 :   LBS解决方案
图十一 : LBS解决方案

意法半导体亚太区类比元件、MEMS和感测器事业部(AMS)MEMS光电技术研究员杨家逢指出,ST的LBS系统主要是由雷射和光学元件,以及MEMS mirror组成。而RGB三色的雷射光从雷射模组发出后,经由光学元件准直以及合光以后,抵达MEMS mirror,再经由MEMS mirror反射出来以后,耦合到波导里面。波导就像一般眼镜的镜片一样,光线会在波导里面传递,然后最终投影到使用者的眼睛里面。在这个雷射以及相关元件的驱动上,ST也有设计的参考的电路板。藉由这样的设计,可以做到高亮度、低功耗、以及轻薄的AR眼镜方案。



图十二 :   LBS雷射光束扫描
图十二 : LBS雷射光束扫描

接下来将来探讨ST Laser Beam Scanning相较其他竞争者之优势。相较其他竞争者比如μLED、LCoS和DLP,我们在显示方面具有较少的画面滞留。因为雷射的反应时间是nanosec等级,而其他方案是milisec等级。接下来,画面的低延迟性是因为MEMS mirror是进行每一个单一像素的更新,而其他竞争者则是每一帧每一帧的更新。另外,因为我们采用了雷射光源,所以亮度也是比较高的。再来是功耗部分,因为ST采用单行的画面缓冲更新,而我们竞争者采用的是整帧的更新,因此ST的功耗更小。第二个是在Piezo mirror上面,ST设计了一个energy recovery的装置。



图十三 :   LBS优势
图十三 : LBS优势

另外,在laser driver这边,我们设计了前瞻逻辑电路,在少数连续图元关闭时,可快速开关雷射。此外,我们在体积和重量上有优势。由于我们采用是单一像素扫描更新,当客户需要扩大视角和解析度时,我们可以调整MEMS mirror的震动频率和反转角度,以达成不同的视角和解析度。相较于其他竞争者,他们必须在尺寸上放大,以达到更高的解析度和更大的视角。那么在产品/光机的尺寸上,他们就没有办法比ST做得更小。



图十四 :   完整的AR眼镜系统
图十四 : 完整的AR眼镜系统

Davide Bruno指出,与其他不同的技术相比,LBS无疑是当今所有可用之智慧眼镜技术中更好的技术。 LBS与其他三种技术的差异之处可以做以下的比较。 LBS的参数更好,光机体积是一个重要的参数。 LBS光机的体积比其他三个小很多。而且,显示画面的黑色区域是纯粹黑,可取得最高的对比度,色彩比其他技术丰富很多。雷射光束的色域比其他技术宽得多。最后,因为具有这些产品优势,因此LBS是目前市场上更佳的智慧眼镜解决方案。开发智慧眼镜成品需要不同模组,包括了MEMS微镜、三合一雷射二极体、光机、雷射二极体驱动器和MEMS驱动器。 ST目前提供所有这些产品。 ST与欧司朗合作,为解决方案开发了一个非常小的雷射二极体。然后,另一个关键元件是波导。实际上,ST的合作伙伴广达电脑(Quanta Computer)也正在研制成品。



图十五 :   LBS一站式方案
图十五 : LBS一站式方案

值得强调的一点的是,ST的客户无需到处寻找不同供应商。 ST MEMS ScanAR提供LBS 解决方案一站式服务。 ST能提供LBS系统的全部硬体,而ST的合作伙伴将透过 LaSAR联盟提供其余的元件。今天,缩短产品上市时间,加速智慧眼镜推出是非常重要的。 ST和LaSAR联盟的所有成员都希望智慧眼镜能如同智慧型手机改善人们的生活方式。因此,ST决定联合几个重要的制造商和技术专家打造一个产业联盟,为开发最终的智慧眼镜解决方案提供不同的元件。 ST是联盟创始人。大家可以在此处看到目前的联盟成员,将来还会有更多的企业加入。



图十六 :   ST完整生态系统
图十六 : ST完整生态系统
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