AR 設備的光學顯示系統通常由微型顯示屏和光學元件組成。光學組合器的不同，是區分 AR 顯示系統的關鍵部分，市場上各種方案百花齊放，目前較多的搭配方案包括LCOS+光波導、DLP+光波導、硅基 OLED+自由曲面等。
一、顯示：多種顯示方案共存，Micro-LED 逐漸成熟并有望成為主流技術
目前 AR 設備中多種顯示屏幕共存。目前發布的 AR 產品使用較多的是 LCOS、硅基 OLED、DLP 三種屏幕，由于亮度上的差異，硅基 OLED 一般與 BB、自由曲面搭配、LCOS、DLP 基于亮度上的優勢與光波導搭配。Micro-LED 由于具有高亮度、低延時、低功耗等優點將成為 AR 眼鏡微顯示器件的最優選擇。
（1）LCOS作為 AR 終端常用的顯示技術得到了一定發展與認可，但高功耗與低對比度限制了發展
硅基液晶（LCOS）是一種新型的反射式微液晶投影技術，它采用涂有液晶硅的 CMOS 集成電路芯片作為 反射式 LCD 的基片。傳統的 LCD 是做在玻璃基板上，LCOS 則是做在硅晶圓上。前者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有 3%左右，解析度不易提高；LCOS 則采用反射式投射，光利用效率可達40%以上，而且可 隨半導體制程快速的微細化，逐步提高解析度。LCOS 的優勢在于性價比較高，缺點在于對比度不足以及功耗較高。
（2）硅基 OLED可顯著改善 LCOS 在對比度、功耗與響應時間等方面的性能表現，成為新近發布 AR 終端的技術選擇，未來需要進一步降低成本并完善生態體系
硅基 OLED 顯示采用單晶硅晶圓作為有源驅動背板，所以更容易實現高 PPI（像素密度）、高度集成、體積小、易于攜帶、抗震性能好、超低功耗等優異特性。自 2020 年開始，國內顯示廠商在硅基 OLED 領域投資動作 頻繁，2020 年產線投資規模超過 200 億元，包括安徽熙泰、京東方、維信諾、紫旸升光電科技等公司均有投資 興建硅基OLED 產線。
未來硅基 OLED 需要解決的問題包括：一是降低成本，硅基 OLED 是集成電路和新型顯示兩種技術的結合，其中集成電路制程占據了器件成本的 70%到 80%，隨著硅基 OLED 器件市場需求的不斷增長，現有的生產方式 還有待探索和磨合；二是優化系統和提升整機設計水平，包括光學設計和制造、人體工程、操作系統和應用程序等多方面的配合。
（3）Micro-LED 成為繼 LCD 和 OLED 后業界期待的下一代顯示技術，技術逐漸成熟，市場前景廣闊， 諸多行業巨頭加速戰略布局。
Micro-LED 原理是將 LED 陣列微小化、可拼接化使其性能得到良好提升，具備低功耗、高亮度、高對比、反應速度快、厚度薄與高可靠等優勢。Micro-LED 微顯示屏幕當前量產的難點在于巨量轉移技術，目前制造成 本過高，產業化仍需要時間。梳理晶元光電、友達光電、錼創科技、三星等重點企業的發展進度可知，預計其規模量產時間在 2022 年左右。
蘋果（LuxVue）、臉書（InfiniLED）、谷歌（Glo、Mojo Vision）、英特爾（Aledia）等紛紛投資或收購 Micro-LED 領域初創公司，布局 Micro-LED 顯示技術。2020 年國內 Micro-LED 廠商 JBD 與AR 眼鏡廠商 Vuzix 達成供貨， Facebook 已宣布與英國 Micro-LED 廠商 Plessey 合作推出了 Micro-LED AR 眼鏡。
二、 光機：多種光學方案并存，光波導技術發展趨勢明確
AR 的光機設計是當前的難點之一。一方面，不同于 VR，AR 是需要透視的，成像系統不能擋在視線前方， 因此多了一個或一組光學組合器，通過“層疊”的形式，將虛擬信息和真實場景融為一體。另一方面，不同于半導體遵循摩爾定律，往往具有可預見的迭代周期，光學設計則需要在最基本的物理定律的框架下，不斷探索、 論證各種的可能性，技術門檻較高，進展相對緩慢，但目前在一些技術上已經取得了較為明確的突破。
在各種光學參數存在沖突的情況下做出取舍，是目前 AR 光機的重要挑戰。由于現有技術方案在分辨率（清 晰程度）、視場角（視野范圍）、重量體積（美觀舒適）等方面存在潛在沖突，如何做到視覺質量、眼動框范圍、體積重量、視場角、光學效率與量產成本間的權衡取舍、優化組合成為驅動技術創新的主要動因。
（1）折反式（Birdbath）得益于設計與量產成本優勢，觸發了消費級 AR 的規模上量
Birdbath 的工作原理是把來自顯示源的光線投射至 45 度角的分光鏡。分光鏡具有反射和透射值（R / T）， 允許光線以 R 的百分比進行部分反射，而其余部分則以 T 值傳輸。同時具有 R/T 允許用戶同時看到現實世界的 物理對象，以及由顯示器生成的數字影像。從分光鏡反射回來的光線彈到合成器上。這是一個凹面鏡，可以把光線重新導向眼睛?；谶@一傳統技術路徑的光學模組體積較大厚度減薄困難，眼動框范圍受限，其光學系統須搭配算法緩解 畸變，且光效難以高于 15%，效果和成本較大程度受限于微顯示器的發展，高亮的 OLEDoS 成為最優搭配，目前我國已有廠商采用該技術大量出貨。搭載 Birdbath 光學方案的 AR頭顯包括：聯想 Mirage AR 頭顯、ODG R8 和 R9、OPPO AR Glass 2021 等。
（2）自由曲面在早期得到業界認可，其顯示效果、光效表現較好，但會產生畸變等問題
自由曲面采用相對簡單的光學設計，它搭載了低成本的 LCD 顯示源，以及帶反射/透射（R/T）值的曲面反射鏡。顯示器發出的光線直接射至凹面鏡/合成器，并且反射回眼內。顯示源的理想位置居中，并與鏡面平行。從技術上講，理想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛，所以大多數設計都將顯示器移至“軸外”，設置在額頭上方。凹面鏡上的離軸顯示器存在畸變，需要在軟件/顯示器端進行修正。
但自由曲面量產加工難以保持較高精度，局部精度下降可導致圖像局部扭曲和分辨率降低，存在產品一致性難題。此外，通過厚棱鏡觀察真實世界會出現一定程度扭曲和水波紋樣畸變，這些因素影響了自由曲面的發 展潛力。搭載自由曲面光學方案的 AR 頭顯包括：Mira Prism，Meta2，Leap Motion，Dream World。
（3）光波導在 AR 領域的技術發展前景明確，有助于推動消費級 AR 產品顯著升級，高性能光波導的發 展尚需時間
（a）幾何（陣列）光波導：鏡面陣列設計，實現一維擴瞳，制造工藝復雜
幾何光波導中，耦合光進入波導首先遇到一個棱鏡或反射面，在多輪全反射后到達眼睛前方，耦合光出波導的結構是一個“半透半反”鏡面陣列。每一個鏡面會將部分光線反射出波導進入人眼，剩下的光線透射過去 繼續在波導中前進。鏡面陣列相當于將出瞳沿水平方向復制了多份，這樣眼睛在橫向移動時都能看到圖像，這就是一維擴瞳技術(1D EPE)。
目前幾何光波導代表光學公司是以色列的 Lumus，國內的瓏璟光電。如果生產過程符合設計，幾何波導的 成像質量比較好，但光效率比傳統光學系統偏低，相當于出光面積變大，每一個出瞳位置看到的光就變少了。但問題在于，幾何波導的工藝難度非常大，主要在于復雜的鍍膜工藝，由于光在傳播過程中會越來越少，要保證動眼框范圍出光均勻，陣列中這五六個鏡面的每一個都需要不同的反射透射比(R/T)，又由于光通常是偏振的， 每個鏡面的鍍膜層數可能達到十幾甚至幾十層；另一方面是膠合難度大，鏡面之間的平行度和切割的角度都會影響到成像質量，極易出現瑕疵，導致黑條紋，出光不均勻，鬼影等現象。因此幾何波導的良率較低，可量產性較低。此外，基于陣列光波導的二維擴瞳方案對加工工藝的挑戰極大，短期難以商用。
（b）衍射光波導：通過光柵調整，可以實現二維擴瞳
衍射光波導主要有利用光刻技術制造的表面浮雕光柵波導（Surface Relief Grating，SRG）和基于全息干涉 技術制造的全息體光柵波導（Volumetric Holographic Grating，VHG）， HoloLens 2，Magic Leap One 均屬于前 者，蘋果公司收購的 Akonia 和 Digilen 則致力于后者。
衍射光波導依循光學元件從毫米級到微納級、從立體轉向平面的技術趨勢，采用平面的衍射光柵取代傳統的光學結構。衍射光波導利用經過兩次兩個方向的擴瞳光柵或二維光柵以實現二維擴瞳，從而給以人為中心的 光學設計與用戶體驗優化留有更大的容差空間。
衍射光波導的原理簡單來講，就是通過設計衍射光柵的參數，將光衍射到想要的方向上去。衍射光柵是一個具有周期結構的光學元件，這個周期可以是材料表面浮雕出來的高峰和低谷 ，也可以是全息技術在材 料內部曝光形成的“明暗干涉條紋”，但歸根結底都是在材料中引起了一個折射率 n 的周期性變化。因此， 衍射光柵通過衍射級和色散實現分光特性，起到了與傳統光學器件類似的改變光線傳播方向的作用，但是它所有的操作又都是在平面上通過微納米結構實現的，所以非常節省空間，自由度也比傳統光學器件大很多。
衍射光波導的可量產性較好，色散問題是比較大的技術挑戰。衍射光波導技術與幾何光波導相比主要優勢在于光柵在設計和生產上的靈活性，不論是利用傳統半導體微納米制造生產工藝的表面浮雕光柵，還是利用全 息干涉技術制成的體光柵，都是在玻璃基底平面上加鍍一層薄膜然后加工，不需要像幾何光波導中的玻璃切片和粘合工藝，可量產性和良率要高很多。衍射光波導技術的不足主要來源于衍射元件本身對于角度和顏色的高 度選擇性，光的效率偏低，另外還有色散問題。為了改善色散問題，針對 FOV 和動眼框內的“彩虹效應”，如 何用一層光柵作用于 RGB 三色且實現最大的 FOV 成為重要的技術挑戰。
光波導的優勢包括：能夠實現通過一維和二維擴瞳技術增大動眼框，從而適應更多人群，改善機械容差，推動消費級產品實現；波導鏡片像光纜一樣將圖像傳輸到人眼，成像系統旁置，不阻擋視線并且改善配重分布；波導形態一般是平整輕薄的玻璃片，其輪廓可以切割，外觀形態更像傳統眼鏡，利于設計迭代；多層波導片可以堆疊在一起，每層提供一個虛像距離，提供了“真”三維圖像的可能性。
目前光波導技術也存在一些不足，主要包括：由于光在耦合進出波導以及傳輸的過程中都會有損失，并且大的動眼框使得單點輸出亮度降低帶來的光學效率相對較低；對于幾何波導來說，繁冗的制造工藝流程導致總 體良率較低；對于衍射波導來說，衍射色散導致圖像有“彩虹”現象和光暈，非傳統幾何光學，設計門檻較高。
MicroLED是指 LED 技術，它被縮小到微米級并放置在一個陣列中以創建一個光引擎
Pancake光學方案是一種超短焦的光學方案，也是近來VR領域中非常火的一項技術。與傳統的“菲涅爾透鏡”方案相比，Pancake光學方案可以讓VR一體機的主機厚度減少二分之一左右，并在縮短了主機厚度的同時，改善了菲尼爾透鏡中畫面邊緣畸變的問題，讓主機的顯示畫面更清晰與自然。
在產品端，JBD可批量提供0.31英寸、0.22英寸和0.13英寸單色MicroLED有源矩陣微顯示屏。該系列微顯示屏體積小、功耗低、亮度高的特點，非常適合近眼信息提示類AR、運動光學顯示、HUD抬頭顯示、以及嵌入式微投影等應用。
JBD 0.13英寸MicroLED微顯示面板
此外，JBD AmμLED?MicroLED光引擎系列產品，包含單色和彩色光引擎兩種方案，單色光引擎的體積僅0.3立方厘米，重量輕至1克，是目前業內體積最小的光引擎。前不久，JBD還發布了最新的可調焦光引擎，其成像范圍覆蓋0.3m到無窮遠，對比度可以高至100.000:1，兼容紫色、藍色、綠色、紅色等，可直接應用于微投影、AR近眼顯示和3D打印等領域。
JBD 0.3CC 紫光MicroLED光引擎
此類單色光引擎既支持單色顯示智能眼鏡的開發，也支持全彩顯示智能眼鏡的開發。其中，由多個單色光引擎形成的全彩顯示方案，排水體積可小于0.7立方厘米，是目前體積最小的用于全彩智能眼鏡的光引擎解決方案。
左：AmμLED 單色光引擎；右：AmμLED 單色光引擎全彩顯示方案
同樣，彩色光引擎方案體積小巧、輕薄，在僅0.8 立方厘米、重2.3克的規格下，輸出光通量高達5流明，可支持多種場景下的彩色化顯示應用。同時，JBD也可以提供適配此彩色光引擎的光波導套件。
JBD 0.13英寸MicroLED彩色光模組
近期，JBD也宣布開發自發光單片彩色MicroLED微顯示屏，用于AR增強現實領域。該彩色面板擁有5微米的彩色像素周期，紅、綠、藍的子像素僅為2.5微米。彩色微顯示屏對角線尺寸為0.22英寸，分辨率卻到達了qHD 960 x 540 水準。該單片彩色MicroLED微顯示屏將擁有更緊湊的設計和更簡易的系統集成，目標直指下一代AR眼鏡。
JBD創始人兼CEO李起鳴博士告訴36氪：“Micro LED擁有更高的效率、亮度、對比度、更長的器件壽命、超高像素密度和超緊湊的尺寸，是眾多微顯示技術的領跑者。本輪融資將用于MicroLED微顯示芯片的技術研發、產品量產以及市場開拓?！?/p>
JBD單面板彩色MicroLED微顯示屏以及和顯示模組概念圖
