光学显示系统是AR眼镜量产与推广关键
思瀚产业研究院    2025-02-22

AR眼镜微显示方案可分为被动式和主动式微显示技术

AR眼镜的光学透视方案有众多技术路线和不同技术组合，从而实现“虚实结合”功能。AR眼镜的近眼光学显示系统采用了“微显示方案+光学方案”，将微显示屏投射的内容通过光学模组传导至人眼。不同的微显示屏+光学元件组合决定了产品的重量体积、成像效果、光学效率等性能。

微显示方案可分为被动式微显示技术和主动式微显示技术。当前AR眼镜主流方案有DLP、LCOS、Micro OLED和Micro LED，其中Micro OLED和MicroLED被认为是未来AR眼镜微显示方案的主流趋势。

DLP显示技术核心是DMD芯片，制造工艺相对成熟

DLP（Digital Light Processing）显示技术其系统由DMD（数字微镜器件）、DLP显示控制芯片和PMIC电源管理芯片组成，其中DMD芯片是DLP系统的核心，由微镜片矩阵组成，每个微镜可以表示显示器上的一个或多个像素。当入射光投射到微镜片上时，微镜片在数字信号的驱动下发生倾斜，处于投影状态的微镜片会将光线反射至屏幕上，处于关闭状态的微镜片会将光线吸收，DMD芯片通过两种状态的切换产生图像。

DLP显示技术在色彩和亮度上具有优秀的显示效果，制造工艺也较为成熟。但是DLP显示系统的体积较大，且难有下降空间。此外，DLP供应链高度集中，因此可能会产生供应链上相关风险。DLP的代表厂商主要为Texas Instruments，采用DLP方案的典型AR眼镜产品有vivo AR眼镜、Vuzix Blade等。

LCOS显示方案量产技术较为成熟，有利于降低AR眼镜整体成本

l LCOS（Liquid Crystal on Silicon）显示技术又名硅基液晶投影显示，是一种基于LCD的反射式投影技术。LCOS采用液晶硅CMOS集成电路作为反射式LCD的基片，并将其磨平镀铝后形成具有反射功能的CMOS基板，最后与含有透明电极的玻璃基板贴合，最终封装成LCOS芯片。当入射光线照射在LCOS芯片上时，液晶层上的每个像素都会产生不同的电压水平：当电压为0时，像素无法进行光输出，并原路返回；当施加电压时，像素输入的光线方向发生偏转形成输出光线，经过PBS反射后最后进入人眼。

LCOS显示方案量产技术较为成熟，有利于降低AR眼镜整体成本。LCOS可将电路整合至CMOS的基板上，缩小了整体体积，使其适合搭载在AR眼镜上。同时LCOS的量产技术较成熟，有利于降低AR眼镜的整体成本。LCOS代表厂商包括豪威、JVC、美光Micron等，采用LCOS方案的典型AR眼镜产品有Magic Leap 2等。

Micro LED或为未来AR眼镜微显示方案的主流趋势

Micro OLED是一种有机发光显示二极管技术，将传统OLED的玻璃基板替换为单晶硅基板，提高了电子迁移率，因此Micro OLED可以缩小像素尺寸，实现更高精度的显示效果。Micro OLED的显示原理和传统OLED相近，当施加外界电压时，金属阴极产生的电子与阳极电洞在有机发光层中结合并释放能量产生光，光线通过不同材料特性的滤光层产生RGB三原色，最后结合产生彩色图像。

与传统LCD相比，Micro OLED具有高清晰度、高对比度、轻薄等特点，非常适合应用于AR眼镜的显示方案。但是Micro OLED的有机材料不能通过高电压，因此亮度有限；此外有机物的氧化问题也导致OLED相比其他显示方案寿命较短。

Micro LED由微型发光二极管（LED）组成，或为未来AR眼镜微显示方案的主流趋势。Micro LED中每个微型LED在通电后发出的光线经过透镜模组后在显示屏上产生单色像素点，这些像素点通过滤色器后产生最终的彩色图像。由于Micro LED中每个微型LED由可单独控制的RGB子像素组成，因此可以精确控制输出图像的色彩和亮度。

Micro LED具有系统简单、高效率、高亮度、高色域、高对比度等优点，未来大面积推广需要突破量产瓶颈。Micro LED属于自发光的主动微显示技术，因此拥有更高的能效。与Micro OLED相比，Micro LED用无机材料替代了易氧化的有机材料，因此拥有更高的亮度与更长的使用寿命。由于目前MicroLED量产技术尚未成熟，因此成本较高。Micro LED代表厂商包括三星、京东方、LG等。

棱镜方案和离轴光学方案是AR眼镜商业化之初的有益尝试

棱镜方案是AR眼镜商业化之初推出的尝试方案，其显示系统主要由微型投影仪和反射棱镜组成。反射棱镜具有半透半反的性质，投影仪投射的图像经过棱镜反射后直接进入人眼，并与经过棱镜透射的现实图像同时在视网膜成像，实现“虚实结合”的AR视觉效果。

棱镜方案结构简单，量产技术成熟，对AR光学技术的一次有效尝试。但棱镜方案可提供的视场角（FOV）及其有限，扩大FOV需要增大棱镜的体积与重量。此外，透明棱镜在强光下显示效果有限，因此棱镜方案在未来不会成为AR眼镜的主流光学方案。采用棱镜方案的代表产品有Google Glass、GLXSS ME等。

离轴光学方案是AR/VR并行发展时期参考VR提出的过渡方案。离轴光学与棱镜方案的区别在于其显示器与镜片分属不同模块，光线经过镜片反射进入人眼的路径非固定（“离轴”），可实现较大的视场角。

得益于VR的发展，离轴光学方案的量产技术成熟，解决了棱镜方案FOV较小的问题。但是显示器与镜片分离的设计使离轴光学成为体积最大的AR方案，不符合AR眼镜的发展趋势。采用离轴光学方案的代表产品有Meta 2、DreamGlass等。

自由曲面方案和BirdBath光学方案相对成熟，普及率较高

自由曲面方案所采用的自由曲面是一种有别于球面/非球面的复杂面型，往往不具有旋转对称性。在自由曲面方案光学模组中，显示器的光线经过自由曲面凹面镜/合成器后进入人眼。自由曲面为光学系统的设计提供更多灵活的结构，显著提高了光学性能。

自由曲面方案AR眼镜的沉浸感和成像质量优秀，同时也摆脱了离轴光学方案的“头盔式”设计。但是自由曲面方案的厚度与重量仍高于普通眼镜，同时图像也存在局部畸变问题。采用自由曲面方案的代表产品有EPSON BT300等。

Birdbath光学方案结合了曲面镜和分束器的技术，显示器将图像投射至具有分光功能的偏振分束器上，偏振分束器将图像反射至半透半反曲面镜，后经二次反射和分束器透射进入人眼，同时环境光经过半透半反曲面镜和偏振分束器投射进入人眼。Birdbath方案在结构、材料等多方面都实现了优化，成为当前普及率较高的光学方案。

Birdbath方案部分材料基于塑料薄膜，具有重量轻、成本低的优势，其对微显示屏的要求较低，搭配OLED类屏幕显示效果优秀。但是，Birdbath方案没有解决体积和动眼框范围与视场角的矛盾，重量和厚度仍与普通眼镜存在一定差距，导致其透光率低，动眼框范围受限。采用Birdbath方案的代表产品有Rokid Max、XREAL Air系列等。

光波导方案有望成为AR眼镜所收敛的光学方案

光波导方案主要分为反射光波导和衍射光波导方案，或将成为未来AR眼镜光学方案的必然趋势。光波导方案利用在波导结构中光线反射或衍射前进起到传输图像的作用。光波导的这种特性可以将显示屏移至额头，减少对外界光线的阻挡，改善用户的佩戴体验。光波导方案解决了体积和视场角（FOV）与动眼框的矛盾，其轻薄和高穿透性被认为是未来AR眼镜光学方案的必然趋势。

衍射光波导具备轻薄和高视场角优势，量产性和良率较易提升。衍射光波导根据光栅类型的不同可分为浮雕光栅波导与全息光栅波导，其原理利用了光栅的衍射特性，让光能够在设计好的路径上传播，将微投影系统发出的光导入人眼。衍射光波导的优点在于经镀膜后可直接加工，并且以半导体工艺为主，量产性与良率较易提升；同时，衍射光波导保留了轻薄、高视场角的光波导方案优势。而由于物理原理限制，衍射光波导方案可能会导致色散和隐私泄露等问题。衍射光波导方案的代表产品有雷鸟X2等。

反射光波导同样具备轻薄和高视场角优势，成像质量较高。反射光波导又称阵列光波导，该方案通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出，图像光线在阵列内的每一次反射都会经过反射波导进入人眼，增大了动眼眶范围。其优点在于设计原理简单，在减小体积的同时有效增加视场角。同时成像质量、色彩和对比度能达到较高水平。而不足之处在于该方案生产对阵列贴合和切割工艺的一致性要求较高，且自动化能力较弱，因此存在量产难度大，单片价格高的问题；同时存在固有的明暗条纹问题。反射光波导方案的代表产品有INMO Air 2等。

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