VR/AR顯示技術的過去、現在和未來

今年對於VR來說似乎很平淡，消費級頭顯除了HTC Vive Pro以及Oculus Go的推出再無其他動靜。這兩款設備在屏幕解析度上相比先前的VR頭顯均有小幅度的提升，解析度達到了2880×1600與2560×1440，然而解析度的提升依然沒有幫助消費者們擺脫紗窗效應的困擾。

另一邊的AR雖然在企業市場炙手可熱，也也依然在顯示的問題上飽受詬病——色散、解析度低、視場角小。為何VR/AR顯示技術遲遲沒有取得突破？各家顯示技術供應商在這一年裡到底取得了怎樣的進展？未來又是怎樣的？要知道這個問題的答案，首先你要了解VR/AR到底是如何顯示圖像的。

VR/AR的光學原理

按照光學原理的不同，我們可以將VR/AR的顯示技術分為兩個大類：非瞳孔成像結構與瞳孔成像結構。

非瞳孔成像結構常被用於我們熟悉的HTC Vive、Oculus Rift與PSVR等沉浸式設備。這種成像結構只用單個放大鏡直接顯示來自顯示面板的光線。非瞳孔成像結構在結構上更輕便更緊湊，但是當光線透過透鏡時會產生顯著的枕型失真。

在瞳孔成像結構中，則會使用另一片鏡片來矯正圖像的失真。瞳孔成像結構通常用於非沉浸式的設備，例如Google Glass以及微軟的HoloLens。

除此之外AR眼鏡在光學結構中還需要波導（Waveguide）結構來將光波引導到用戶的眼睛裡。這通常需要在設備內部設置反射結構來控制光在入口和出口之間的軌跡，目前AR行業用的波導結構可以分為四種：全息波導、衍射波導、偏振波導以及反射波導。

全息波導是一種相對簡單的波導類型，其在反射結構的出口與入口處通常會有如鏡片之類的光學元件。這種結構被用於索尼的Smart Eyeglass上。

衍射波導則需要通過精確的表面浮雕光柵來實現內部反射，以通過顯示屏無縫疊加3D圖形。這種結構被用在了Vuzix以及微軟的HoloLens上。

偏振波導則是當光進入波導結構後經過一系列的反射來到會反射部分光線的偏振表面。被選中的光波將被反射到觀看者眼中，其餘的則穿過該表面繼續射向下一個偏振表面。

反射波導和全息波導很類似，由一個波導平面以及一個或多個半反射鏡面組成。反射波導被用在愛普生的Moverio以及Google Glass上。

這四種波導結構中應用最廣泛的是全息波導與衍射波導，幾乎佔據了全部的AR市場，未來也依然是這兩種波導結構平分天下，全息波導佔比略高於衍射波導。

VR/AR的顯示技術

VR/AR的顯示技術可以分為三種：完全沉浸式、光學透視以及視頻透視。

顧名思義，完全沉浸式顯示是標準的VR顯示器，其與傳感器組合來追蹤位置和方向，能夠完全阻斷外界的畫面，就像《頭號玩家》電影中展示的一樣。

光學透視眼鏡允許用戶透過光學元件看到周圍的環境，通常採用全息波導等能夠在現實世界中實現圖形疊加的系統。微軟的HoloLens、Magic Leap One和Google Glass都是這一類型的眼鏡。

視頻透視讓用戶可以通過安裝在頭顯上的一個或兩個攝像頭來觀看周圍現實世界，這些攝像頭的圖像可以與計算機生成的圖像組合，為用戶提供AR體驗。HTC Vive頭顯就是這一類型的設備。

VR/AR的成像技術

LCD顯示屏在高清晰度電視中很常見，自20世紀80年代以來一直被用作VR/AR頭顯中的顯示器。LCD的優點在於技術較成熟，生產工藝難度相對較低，良品率高，缺點在於高刷新率下切換畫面時產生圖像殘留。

AMOLED顯示屏則是現在主流消費級頭顯的首選。AMOLED由一層包含存儲電容的薄電晶體組成，可以更好的控制每個像素，實現單個像素的開關，從而實現更深的黑色和更高的對比度。

相比LCD，AMOLED的結構相對簡單，並且不需要背光，因此厚度上更薄。此外，AMOLED消耗功率顯著低於LCD，刷新率更快、對比度更高、色彩還原更好、解析度更高。缺點則是生產過程中的良品率較低導致價格一直居高不下。不過隨著京東方的AMOLED顯示屏量產，AMOLED的屏幕價格正在逐漸下降，三星在屏幕的壟斷一定程度上被打破。

AR眼鏡則主要通過微型數字光投影儀（DLP）以及微型矽基液晶（LCoS）這兩種近眼顯示系統來顯示圖像。

DLP最初由德州儀器公司研發，是一種被廣泛用於投影儀的技術。DLP晶片中包含了一種被稱為數字微鏡的設備（Dightal micromirror device DMD）。DMD由大約200萬個獨立控制的微型鏡子組成，每個微型鏡子可用於表示一個像素，每個尺寸約為5.4微米，這些鏡子將視網膜當作顯示平面。光源發出的RGB三色光被這些微型鏡子反射入眼球中。這些微型鏡子每一個都可在一秒內重定向數千次，因此可以改變反射的顏色，在視網膜上產生各種光影。

DLP微型顯示器是目前顯示速度最快的技術，有顏色變換快、延遲低、功耗低以及超高解析度（對角線長0.3英寸的陣列就可以生成1280×720解析度的圖像）等優點，是構建頭戴式顯示器的理想選擇，唯一的缺點是其成本較高。

微型矽基液晶（LCoS）則是LCD與DLP的折中技術。LCD可以生成圖像並將其傳輸給用戶，而DLP則是一種反射技術，其各個次級像素通過微型鏡子反射。當光源被反射後會通過一系列的次級過濾器來調整光線的強度與顏色。與DLP顯示器類似，LCoS顯示器也可以做到非常小巧，可以被集成進一些小型設備中。微軟HoloLens、Google Glass與Magic Leap One都集成了LCoS顯示器。

VR/AR顯示屏的發展現狀

在今年的SID大會中，三星SDI、JDI、LG等各家廠商都展示了具備4K解析度AMOLED顯示屏，其中三星展示了一塊尺寸僅有2.43寸，ppi高達1200的4K屏幕，而LG則展示了其與谷歌合作的4.3英寸1443ppi 5K解析度VR專用屏幕。如此高密度的像素即使通過透鏡也很難在觀察到像素之間的空隙，如果CPU與GPU的性能足夠驅動這塊4K的顯示屏，那麼困擾大家多年的紗窗效應自然就會不告而別了。

除了更高解析度的屏幕，柔性屏幕技術的成熟也將為VR帶來更好的體驗，其中一個最重要的改善就是視場角。目前採用平面屏幕的主流VR設備的視場角在110°左右，而柔性屏幕有望讓VR頭顯的視場角接近人眼。同時柔性屏幕的應用還可以減小畫面的畸變，最終甚至可以讓人們告別VR頭顯中厚重的鏡片，讓VR頭顯變得更加小巧。

早在今年三月份三星就已經註冊了使用柔性屏幕的VR頭顯專利，雖然說專利未必都會實現，但是我們還是可以期待一下明年誕生一款使用了柔性屏幕的VR頭顯，實際檢驗一下柔性屏幕的效果與未來。

今年SID大會中還展示了兩種新的屏幕——透明OLED顯示屏與光場顯示屏。

光場顯示屏可以在不同的角度顯示不同的圖像，讓用戶可以通過多個角度來觀察屏幕中顯示的畫面。可以預見這種全新的顯示屏將來能夠大幅度提升AR體驗，即使設備不動，人的位置發生變化也可以看到一個物體的不同角度，讓現實與虛擬更加難以區分。

另一種新屏幕則是透明OLED。雖然透明程度無法做到普通玻璃那樣，但依然可以達到80%以上。這種新屏幕的潛在應用主要是商店的展示櫥窗以及汽車前擋風玻璃。

搭配上AR技術與透明OLED，汽車前擋風玻璃將可以顯示導航、汽車運行狀態等多種信息，人們在開車時再也不用因為瞄一眼手機導航而導致分心了。說句題外化，車聯網目前也是一個巨頭們爭奪的領域，用於前擋風玻璃的透明OLED將和AR技術深度結合，將成為汽車與網際網路的交互入口。

至於目前AR眼鏡所用的DLP與LCoS技術，已經非常成熟，在今年並沒有太大的發展。

潛在的新霸主——Micro LED屏幕

一種新的Micro LED近眼顯示系統（Near Eye Displays）正在興起，這一系統將能同時惠及VR/AR市場。

什麼是Micro LED？Micro LED屏全稱為微發光二極體顯示屏，它的結構是微型化LED陣列，也就是將LED結構設計進行薄膜化、微小化以及陣列化後，巨量的轉移到電路基板上，再利用物理沉積技術生成保護層，形成微小間距的LED。其體積約為目前主流LED大小的1%。同時它還能夠實現每個像素單獨定址、單獨驅動發光（自發光），也將像素點的距離由原來的毫米級別降到了納米級。

Micro LED這一概念其實早在2000年就已經被提出。2009年一家名為Luxvue公司在美國成立，專注於Micro LED技術。這家公司於2014年被蘋果收購，讓Micro-LED技術引起大家的廣泛關注，隨後2015年4月蘋果在臺灣桃園龍潭設廠，秘密研發包含Micro LED在內的先進顯示技術。

目前蘋果尚未在自家產品中使用自研的Micro LED屏幕，不過這裡可以大膽猜測一下，蘋果自研的Micro LED很可能會和傳言中的蘋果AR眼鏡一同發布。

索尼在LED領域的投入僅次於蘋果，不過其早期主要以大型LED屏幕為主攻方向。從2016來索尼開始轉型主攻Mirco LED技術，2017年索尼展示了名為CLEDIS的顯示器，該顯示器由144塊Micro LED屏組成的。

LG集團目前由LG Electronic主導Micro LED技術，已經完成了3英寸大小擁有高達3000ppi的屏幕。

加拿大的初創企業VueReal擁有10μm以下高效率Micro LED和巨量轉移工藝的專利，被稱為「連續像素(Continuous Pixelation)」技術，能以高產量和實惠價格實現ppi大於4,000的顯示屏。基於該技術，VueReal開發出一款4K微型LED顯示屏，像素密度高達6,000 ppi，有助於縮小頭戴式顯示器(HMD)和抬頭顯示器(HUD)等AR設備體積。

Oculus也於2016年10月收購了愛爾蘭的LED初創公司InfiniLED，來攻克VR面臨的顯示技術難題。不過到目前已經兩年的時間過去了，這項技術是否會出現在明年發布的Oculus Quest上依然是個未知數。

除了上面提到的公司，包括三星、京東方、三安光電、錼創科技等企業均在布局Micro LED產業鏈，2019年將是各家公司爭奪市場上首批Micro LED用戶的重要一年。

Micro LED和Micro OLED技術相比，擁有更高的亮度與對比度，更緊密的色譜、更高的能效比。根據資料顯示，Micro LED的功率消耗量約為LCD的10%，OLED的50%。與同樣是自發光的OLED相比較，亮度高了30倍。基於Micro LED的近眼顯示系統將能夠幫助VR/AR設備節省電量，縮小體積，提供更好的體驗。

根據nTech的預測，2019年Micro LED市場將會爆發，銷售額達到27億美元，其中VR/AR市場的銷售額佔比為3.7%。而到2025年，將有18%的AR設備使用Micro LED設備。考慮到隨著技術進步Micro LED的生產成本將逐步降低，Micro LED在VR/AR領域的普及速度可能比預測的還要快。

總結

明年的VR設備在顯示技術上可能不會有太大的變化，主要還是採用更高解析度的OLED屏幕來應對消費者們對於清晰度的追求。VR消費市場的主要趨勢還是提高性價比——用更少的價格提供更高品質的體驗。

AR設備則存在著巨大的變數，AR目前的主要市場在企業應用，而企業客戶對於價格不敏感，這給了AR設備嘗試新顯示技術的空間。一直有消息稱明年微軟將會發布第二代HoloLens，針對第一代HoloLens被詬病的顯示問題，微軟是否會尋求Micro LED這樣的新技術來實現更好的顯示效果呢？即使Micro LED在成本上確實較高，但HoloLens目前的客戶對價格並沒有那麼敏感，而且微軟剛剛拿下了美國軍方的大額訂單，是時候考慮用更先進的技術來改進自己的產品了。

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