從LCOS到MicroLED,一篇讀懂全球AR微顯示技術

今天這篇文章來自於靈犀微光趙鑫博士的演講，文章內容包括5個部分。第1個部分是目前日益增長的對微顯示器的市場需求；第2個部分是AR微顯示器的一些核心技術指標；第3個部分是目前市場上主流的AR微顯示器技術，第4個部分是目前AR對微顯示器的需求和現狀的一些差異分析，最後一個點是靈犀微光的一些積極的探索。

首先第1個部分。根據IDC預測，AR和VR市場上有一個快速的增長，其中AR增速是大於VR的，在2024年AR的出貨量會達到1000萬臺，屆時AR也會首次超過VR出貨量，那麼伴隨著這兩個市場的快速增長呢，微顯示器技術市場也相應的跟隨增長，那麼預計在2024年，整個微顯示器市場的這個整體出貨量也會達到1000萬片這麼一個量級，同時它的這個市場佔有率中，在眾多的技術方案中，LCOS、DLP、OLED等等技術方案中，Micro-LED的市場份額會經歷一個爆發性的增長。

 

顯示器技術中的使用的這個光學方案和一些微顯示器方案都是多種多樣的，以下這4個代表性的產品為例，例如Nreal使用的是OLED+birdbath的方案，微軟的HoloLens2使用的是LBS+衍射光波導方案，那麼靈犀呢，使用的是LCOS+陣列光波導方案，之所以有這麼多種方案呢，主要是因為這個針對的目標客群是不一樣的，對於消費者和工業級客戶以及警用安防客戶來講的話，對這個亮度的敏感性，對電池壽命的敏感性，對整體重量的敏感性，以及對整個環境適應性的敏感性，都是具有非常不同的需求，那麼配合整個的光學設計，例如你採用的是一個非擴展性的Combiner或者是一個一維擴展器或者是一個二維出瞳擴展器，或者你的光學設計是一個反射式的，或者是一個透過式的這個設計的話，相應的對微顯示器的技術指標以及它的這個產品形態都會有一些非常具體的需求。

 

要滿足這6個方面的需求，第1個方面就是亮度方面，首先它要足夠亮才能看得清，在室外環境下如果不加墨鏡片的話，至少2000nits的入耦到人眼中的亮度是一個及格線。對比度方面的話，那麼300:1的這麼一個全開全關的對比度也是一個最低的保證。同時因為人眼自身的刷新率來講，75Hz一個刷新率可以使人眼維持在一個比較舒服的狀態。在解析度方面的話，對於不同的視場角相應的解析度不同，對於25°視場角的話，720P的解析度是個必須的及格線。在功耗方面，AR眼鏡的這個整體顯示上的功耗可以小於1.5W，可以對標我們目前使用的手機的功耗，同時呢，希望它能支持一個局部的刷新以及一個低功耗狀態下的靜態圖像的維持。在這個環境適應性方面的話，-40°~80°是我們希望的一個適用的溫度區間，同時能夠達到5000多小時的整體使用壽命。

 

技術指標對AR的微顯示也提出了很多的一個技術要求，那麼一個AR的近眼顯示器系統，我們以這個波導系統為例啊，它是由五個部分去組成的，分別是顯示屏，光纖系統，入瞳出瞳擴展器以及人眼，那麼微顯示器系統主要取決於系統的亮度、對比度、解析度的數值，那麼這個光學系統和這個入瞳共同決定了系統的視場角以及它的F數，因為二維的出瞳擴展呢會啊大大的增加人眼的這個活動範圍，就所謂的這個眼盒，那麼聯繫這些所有部件的一個統一的物理方面的定律呢，就是這個Etendue，就是所謂的光學擴展量這個概念，Etendue這個概念的話，實際上來計算來說的話，就是用這個發光的面積去乘以這個發光的角度的正弦值的平方，一句話概括就是越大的視場角越難做出一個比較大的一個眼盒，AR對這個近眼顯示的一些微顯示器的一個核心的訴求，就是說它發出的光能夠恰好填滿這個的系統的入瞳，同時它的這個角度也能匹配到我們整個的FOV的視場角，在這樣的狀況下它整體的能量是有最高的使用效率，同時它的亮度均勻線也是最為均勻的。

 

微顯示器技術的主流的是矽基液晶技術，矽基液晶技術的利用的是液晶分子自身的雙折射特性，對入射光線的偏振進行調製，光線經過這個入射液晶和反射之後，整體的偏振它會發生變化，配合上照明PBS之後可以實現光的一個灰階調製，同時這個LCOS和這個照明系統之間呢，會有一個時序上的同步，在單個時間段裡只有紅綠藍中的一個色進行照明，這樣的話最終會實現一個全彩的顯示，根據液晶技術的不同又分為TN液晶和VA液晶，TN液晶整體的特點就是它是一個較為便宜，具有很高的刷新率的同時對比度比較低的技術，那麼VA的話，主要是強調的是這個暗態亮度的壓制，所以整體的對比度是比較高的，同時價格也稍微昂貴一些。以矽基液晶作為整體上來看的話，它的優勢在於它是成熟廉價，同時它的這個像素密度比較高，整體的能量利率也比較高。它的缺點主要在於它具有比較低的對比度，特別是大的入射角的時候，同時呢它必須和PBS配合使用，這樣就限制了整體光機的小型化進程，同時在低溫狀態下是無法工作的。

Mini Glass和Magic Leap使用的都是這個LCOS的技術，那麼目前的這個市場上的主流玩家是這麼幾家。

下一代的這個顯示技術作為替代LCOS的下一代這個顯示技術，自從EPSON推出BT-350之後，矽基OLED的這個技術就一直吸引著人們的目光。矽基OLED實際上是在單晶矽上，通過這個製備底部的cmos，再加上白色的發光OLED的材料，再加上這個紅綠藍三個綠色塊，最終實現了一個高密度的高亮度的OLED的一個製備，它整體的優勢在於contrast是非常高的，會達到100000:1的對比度，同時呢適用的溫度範圍可以達到-40度到70度，具有很廣的色域，同時自身發光，不需照明，它的這個功耗也是比較低的，缺點方面第一點是亮度是比較低的，目前市場上的主流產品的亮度都是小於3000nits，自身的價格會比LCOS貴50%以上，整體的使用壽命如果是高亮度模式的話，會小於3000個小時，同時難以避免的一個情況就是燒屏。

做OLED做的最好的還是日本的SONY和EPSON兩家，這個也是兩款代表性的產品，一個是愛普生的BT-350，使用的是愛普生自家的矽基OLED，以及Nreal眼鏡使用的是索尼的OLED。

 

Micro-LED呢，可以說是被人稱為是下一代最具有挑戰者意味的這個微顯示器技術，它也是現在當今快速發展的技術，它的原理是將發光機管一個個的小型化，那麼單個發光機管的這個大小小於100微米的時候，同時能夠密閉的排列在基板上實現開關的時候，我們就認為一個Micro-LED製備完成了。它整體的優勢在於它有超高的亮度，具有幾十萬尼特的亮度，對比度是在100000:1以上，非常廣的溫度適應性，-70°~100°都可以很好的工作，色域較廣同時自發光無需照明以及功耗比較低。劣勢在於它是一個新興的技術，目前整體技術方案還不是很成熟，全彩方案目前依然是稀缺的，目前它的單片價格會大於1000美金。

 

那麼這個整個Micro-LED之所以這麼具有競爭性，是主要是因為它採用的是個半導體類似的製成。那麼首先呢，它是利用一些光刻的方法將大片的藍寶石襯底上的LED進行一個小型化，那麼小型化的LED被稱為累金，這些累金通過一些範德華爾斯力、磁場力、流體力、靜電力等力的作用，進行巨量轉移，轉移到新的做好了cmos背板的這個矽片上進行一個焊接和對壞點的修復，最終進行封裝，實現一個微小顯示的一個出貨，整個AR屆的這個預估是三到五年內這個技術就可以成熟，同時蘋果SONY和Plessey在這個領域都有所布局。

 

除去剛才三個主流的技術以外，目前還有廠商使用了LBS 雷射束掃描這種技術，它使用的是一個可以在二維環境內發生扭轉的一個反射鏡，雷射束打在上面以後可以對它的這個角度進行調製，實現這個不同的這個視場角。同時如果說沒有一個出瞳擴展器的話，那麼就是North Focals這種產品形態，雷射打在上在這個鏡片上就直接反射入人眼，那整個系統的這個Etendue是非常小的，所以就導致它的這個眼盒非常小。另外一個技術方案就是LBS和衍射光波導技術相結合，這就是HoloLens2的技術方案，另外一個方面就是DLP的技術方案，實際上是德州儀器發明的一種微機電系統，小的反射鏡在矽片上正12°和負12°兩個態上進行切換，在某個態下光線進入成像系統實現成像，在另外一個態下這個光線就會打到吸收體上然後不進入成像系統，就是暗態，代表性的產品是Vuzix Blade。

 

那麼整體上來看的話，目前市場上主流的產品和對微顯示器的理想需求，我們可以看到差距是比較大的。舉一個例子來講，就是這個發光角度來看，目前上主流的產品，如OLED以及未來的Micro-LED他們都是一個朗伯體的發射，那麼呢，我們其實系統是希望它的發光角度能夠進行適當的一個調製，可以和系統的出瞳進行匹配，這樣它整體功能利用率才能提的更高，但是目前這樣的產品是十分稀缺的。

根據上面的分析，那麼現在這個市場上主流的微顯示器的技術演進路線會是由LCOS到OLED到Micro-LED的過程，可以看到在各方面的技術指標上來看，Micro-LED都會是未來這個整體市場的一個引領者，現在唯一的問題就是量產性和價格問題。

 

Micro-LED可以滿足我們所有AR對微顯示器的技術需求之後，那麼接下來AR眼鏡應該怎麼做呢？我們認為下一代的AR眼鏡一定會是一個具有非常良好的外觀，就像正常眼鏡的一個狀態，同時呢，它具有非常好的form factor。同時呢，它能夠優先的保證到這個信息的私密性，同時呢，在未顯示信息的一些區域呢，它是能夠具有很高的透過率的，那麼對比以上我司做的這個Mini Glass以及MC3，這是靈犀微光做的MC3眼鏡和這個magic leap2和HoloLens2這些眼鏡，我們可以看到就是目前的這些頭盔式AR眼鏡還是不能夠滿足到未來大家對AR眼鏡的一個希望或者是一個需求。

 

最後，靈犀分享了一個他們的最新進展，在今年後復工之後，開發了世界上第一款使用Micro-LED的陣列光波導光機，它自身的亮度可以達到6000nits的入眼亮度，它的整個對比度可以達到100000:1，它的環境適應性可以達到-55°~80°的溫度適用範圍，可以說我們基本上做到了對理想的AR微顯示器的一個需求。

來源：靈犀微光

 

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