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增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)是一種可將簡單的數(shù)字內(nèi)容疊加到現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)，智能眼鏡是AR一個最佳應(yīng)用。AR眼鏡被認(rèn)為是未來5G的核心應(yīng)用場景，也是繼智能手機(jī)后最為重要的終端產(chǎn)品之一。AR設(shè)備與智能手機(jī)不同之處在于，智能手機(jī)可以有高中低不同價(jià)位，消費(fèi)者可以根據(jù)自身需求購買不同類型和價(jià)位的產(chǎn)品。但是AR是典型的就高不就低，只有真正具有技術(shù)含量，帶給消費(fèi)者高端享受，處于價(jià)值鏈高端的產(chǎn)品，才會被消費(fèi)者所接受。
根據(jù)VR陀螺數(shù)據(jù)，2020年全球AR眼鏡出貨量為40萬臺，預(yù)計(jì)2021和2022年AR出貨量分別為70、140萬臺。從2015年AR產(chǎn)業(yè)興起以來，短期出現(xiàn)了一個快速增長階段，到2018年后陷入了相對停滯的狀態(tài)，2020年以來受疫情影響，全球AR行業(yè)快速發(fā)展，出貨量大增。再疊加5G通信對電子終端領(lǐng)域帶來的影響，有可能這種AR/VR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會一直持續(xù)，出貨量持續(xù)走高。
全球AR眼鏡出貨量（萬臺），來源：VR陀螺
從2013?年谷歌推出Google Glass?智能眼鏡，到2020年谷歌以1.8?億美元價(jià)格收購加拿大智能眼鏡制造商N(yùn)orth，業(yè)界普遍認(rèn)為谷歌收購North是為了重新發(fā)展其智能眼鏡業(yè)務(wù)。2021年，Snap?以超5?億美元價(jià)格收購AR?波導(dǎo)顯示廠商WaveOptics，顯示了Snap?對?AR眼鏡賽道的長期看好。
從產(chǎn)品分類看，AR相關(guān)的產(chǎn)品主要為?AR眼鏡，其顯示方式是將設(shè)備生成的影像與現(xiàn)實(shí)世界重疊，通過光學(xué)組件最終到視網(wǎng)膜上成像。不同AR?眼鏡之間的差距較大，旗艦級AR?眼鏡產(chǎn)品（如Microsoft HoloLens）可以達(dá)到部分沉浸的效果，售價(jià)高達(dá)2.7-3.9?萬元/副。而一些AR?眼鏡產(chǎn)品僅有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果，介于無沉浸及初級沉浸之間，這類眼鏡則相對便宜。
?為何LBS是實(shí)現(xiàn)AR的更佳技術(shù)呢？
ST亞太區(qū)模擬器件、MEMS和傳感器事業(yè)部(AMS) MEMS產(chǎn)品及應(yīng)用副總裁、智能手機(jī)創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人DavideBRUNO
意法半導(dǎo)體（簡稱為ST）亞太區(qū)模擬器件、MEMS和傳感器事業(yè)部(AMS) MEMS產(chǎn)品及應(yīng)用副總裁、智能手機(jī)創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人DavideBRUNO對與非網(wǎng)記者表示，今天開發(fā)一款新型的AR眼鏡要滿足幾個要求：第一重量應(yīng)該應(yīng)該很輕，小于60克。第二設(shè)計(jì)要美觀時尚。第三外觀尺寸很重要，硬件、電池和所有系統(tǒng)必須非常緊湊，面積非常小。第四是功耗要可以支撐AR眼鏡使用一整天。第五是在戶外使用時，要有足夠的亮度獲得清晰的分辨率?！翱偠灾?，我們需要一副適合全天候佩戴的AR?眼鏡”Davide BRUNO表示，要做到這一點(diǎn)離不開ST的激光束掃描LBS技術(shù)。
適合全天候佩戴的AR?眼鏡應(yīng)滿足哪些要求，來源：ST
LBS系統(tǒng)主要是由激光和光學(xué)元件，以及MEMSmirror組成。而RGB三色的激光光從激光模組發(fā)出后，經(jīng)由光學(xué)元件做準(zhǔn)直以及合光以后，抵達(dá)MEMSmirror，經(jīng)由MEMSmirror（也就是“光機(jī)”）反射出來以后，會耦合到波導(dǎo)里面。波導(dǎo)就像一般眼鏡的鏡片一樣，影像會在波導(dǎo)里面?zhèn)鬟f，然后最終投影到使用者的眼睛里面。在這個激光以及相關(guān)元件的驅(qū)動上，ST也有設(shè)計(jì)的參考的電路板。借由這樣的設(shè)計(jì)，ST可以實(shí)現(xiàn)高亮度、低功耗、以及輕薄的AR眼鏡方案。
LBS技術(shù)的工作原理
作為全球消費(fèi)類MEMS應(yīng)用市場的第一大廠商，意法半導(dǎo)體的出貨量已經(jīng)超過200億片，同時ST還是全球第一大的MEMS微鏡廠商。微鏡是AR眼鏡的核心，在鏡片上生成圖像需要通過微鏡的震動實(shí)現(xiàn)。今天，ST有三種不同的MEMS微鏡技術(shù)：靜電微鏡、電磁微鏡、壓電微鏡。其中壓電微鏡是最重要的，是最新的MEMS微鏡技術(shù)，它可以優(yōu)化光機(jī)功耗和外形尺寸。在光機(jī)系統(tǒng)中有許多的激光管驅(qū)動器和微鏡驅(qū)動器。要想實(shí)現(xiàn)小尺寸和低功耗，肯定離不開壓電MEMS微鏡技術(shù)。
ST是全球第一大的MEMS微鏡廠商，來源：ST
LBS并不是一種新的技術(shù)，而是已經(jīng)經(jīng)過市場檢驗(yàn)的成熟技術(shù)，例如，微軟、North?和英特爾都在用LBS技術(shù)。LBS還用于汽車激光雷達(dá)。在終端用戶設(shè)備方面，比較新的應(yīng)用是發(fā)現(xiàn)患者手臂靜脈的醫(yī)療設(shè)備。ST從2012年向市場推出了第一個微型投影儀，采用了ST激光束掃描技術(shù)。此后ST的LBS技術(shù)被應(yīng)用到多個領(lǐng)域，如英特爾筆記本電腦的Realsense機(jī)器視覺產(chǎn)品，以及與North合作推出了第一款智能眼鏡。DavideBRUNO認(rèn)為，2025年可能是AR眼鏡大規(guī)模普及的一個關(guān)鍵時間點(diǎn)。除了AR領(lǐng)域之外，LBS在車用激光雷達(dá)(LiDar)?或者工業(yè)上的3D感測也是重要的應(yīng)用市場。
STLBS技術(shù)的成功應(yīng)用案例
?LBS與μLED、LCoS和?DLP等競品技術(shù)的對比
意法半導(dǎo)體亞太區(qū)模擬器件、MEMS和傳感器事業(yè)部(AMS) MEMS光電技術(shù)研究員楊家逢(Johnny YANG)對與非網(wǎng)記者表示，相比其它競爭對手，如μLED、LCoS和?DLP技術(shù)。
意法半導(dǎo)體亞太區(qū)模擬器件、MEMS和傳感器事業(yè)部(AMS) MEMS光電技術(shù)研究員楊家逢(Johnny YANG)
LBS在顯示方面具有較少的畫面滯留。相比其它光源的反應(yīng)時間是milisec等級，激光的反應(yīng)時間是nanosec等級。畫面的低延遲性是因?yàn)镸EMSmirror是進(jìn)行每一個像素每一個像素的更新，而其他競爭者是每一幀每一幀的更新。
LBS技術(shù)的競爭優(yōu)勢
此外，LBS采用了激光光源，所以亮度也是比較高的。在功耗部分，LBS采用一行一行的畫面緩沖更新，而其它友商采用的則是整幀的更新，因此功耗更小。
在Piezomirror上面，LBS設(shè)計(jì)了一個能源回收裝置。此外在激光驅(qū)動上，LBS設(shè)計(jì)了前瞻邏輯電路，少數(shù)連續(xù)像素關(guān)閉時，可快速開關(guān)雷射。
由于LBS采用的是單一像素掃描更新，當(dāng)客戶需要擴(kuò)大視場角和解析度的時候，可以調(diào)整MEMSmirror的振動頻率和反轉(zhuǎn)角度，以達(dá)成不同的視場角和解析度。
在體積和重量上LBS技術(shù)也有優(yōu)勢，而LBS的競爭者必須在光機(jī)/產(chǎn)品的尺寸上放大，以達(dá)到更高的解析度和更大的視場角。
這張表簡要概括了LBS?與其他三種技術(shù)的差異之處
ST的STAR1光機(jī)方案，將光機(jī)尺寸的部分縮小成小于0.7cc的尺寸，相對于STAR0的光機(jī)功耗可以減少50%。此外，光學(xué)的可視角提高到了65°，將解析度從600p提高到720p，以符合目前全天候佩戴AR眼鏡的需求。
ST的STAR1光機(jī)方案
楊家逢(Johnny YANG)還介紹了ThinFilm Piezo MEMS mirror如何增強(qiáng)STAR1光機(jī)的特性。ST設(shè)計(jì)了新的MEMSMirror驅(qū)動器。在MEMSmirror的控制回路與線性／諧振微鏡驅(qū)動器外，新增了能量回收與低噪位置感測架構(gòu)，已達(dá)成更低功耗。
通過薄膜壓電型的線性與諧振mirror，ST的MEMSmirror達(dá)到更高的諧振頻率與更大的開闔角，以此達(dá)成光機(jī)更大的視場角與解析度。
今天，ST正在量產(chǎn)采用PεTRA1.0技術(shù)的微鏡，最近這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)升級到PεTRA1.5。與?PεTRA1.0相比，ST將芯片致動效率提高了30%。隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的演變，芯片尺寸和功耗將會變得更小。
不難看出，減小芯片尺寸或者提高致動性能已經(jīng)成為未來趨勢，這有助于客戶在保持相同的尺寸條件下，提高產(chǎn)品心梗。
據(jù)介紹，ST目前在新加坡有業(yè)內(nèi)首個壓電MEMS廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)室(Lab-in-Fab)，這對開發(fā)壓電MEMS應(yīng)用解決方案非常重要。初創(chuàng)企業(yè)和發(fā)明家可以直接在晶圓廠設(shè)立自己的實(shí)驗(yàn)室，他們可以改進(jìn)解決方案和技術(shù)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品上市時間比租用大型代工廠和大型生產(chǎn)線更快，這個模式目前在業(yè)內(nèi)是全新的、獨(dú)一無二的。
最后，楊家逢(JohnnyYANG)向與非網(wǎng)記者展示了由廣達(dá)制造的第一個AR眼鏡原型，它的外形尺寸得到了很大的改進(jìn)，并且更接近于某些款式的普通眼鏡，客戶將在2022年1月份的CES展上親自體驗(yàn)。
?點(diǎn)評：通過LBS生態(tài)構(gòu)筑AR護(hù)城河
相比過往傻大笨粗的AR眼鏡，小型化、輕量化、低功耗的AR眼鏡顯然更適合全天候佩戴。
目前，激光掃描LBS技術(shù)將幫助ST的合作伙伴在這個新市場中處于領(lǐng)先地位。通過這一套LaSAR開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，任何新的客戶都能輕松進(jìn)入AR眼鏡的市場?？蛻糁恍枰獙Ｗ⒂贏R應(yīng)用的開發(fā)，而將硬件交給像ST、歐司朗、Dispelix和廣達(dá)這樣的關(guān)鍵制造商負(fù)責(zé)最終智慧眼鏡的硬體系統(tǒng)。
一站式的LBS解決方案
值得一提的是，STMEMS ScanAR?提供一站式的LBS解決方案，除了提供LBS系統(tǒng)的全部硬件，還通過LaSAR聯(lián)盟形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)，共同提供其余組建。
ST是LaSAR聯(lián)盟的創(chuàng)始人，目前已經(jīng)有幾個重要的制造商和技術(shù)專家加入了該聯(lián)盟，未來還會有更多的企業(yè)加盟。該聯(lián)盟的主要目標(biāo)是提供終端設(shè)備解決方案，讓客戶可以專心開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容，無需花費(fèi)數(shù)年時間開發(fā)硬件和解決方案。據(jù)介紹，在2020年?11月，ST與廣達(dá)簽署了合作協(xié)議，開發(fā)一個AR智能眼鏡成品參考設(shè)計(jì)。2021年3?月，ST與OQmented?簽訂合作協(xié)議，為AR和3D傳感市場提供更好的掃描技術(shù)。
LaSAR聯(lián)盟
筆者認(rèn)為，ST打造的這個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟生態(tài)和一站式的解決方案將成為區(qū)隔于友商的最大競爭門檻。不過隨著AR眼鏡的大規(guī)模上量，面對不同客戶的需求，未來如何實(shí)現(xiàn)部分關(guān)鍵原件的批量化設(shè)計(jì)制造，對于整個LaSAR聯(lián)盟成員都會是一個挑戰(zhàn)。
