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AR、VR等近眼显示芯片的技术路径和发展趋势

最近,一则关于苹果将于2023年1月发布MR的报道再一次炒热了市场对于AR、VR等头戴式近眼显示产品的关注度。2021年全球AR、VR等头戴式设备的出货量大约在1100万台,其中AR与VR的占比分别为1:9。

最近,一则关于苹果将于2023年1月发布MR的报道再一次炒热了市场对于AR、VR等头戴式近眼显示产品的关注度。2021年全球AR、VR等头戴式设备的出货量大约在1100万台,其中AR与VR的占比分别为1:9。但是,根据市场调研机构和头部企业的预测,未来这一占比会转换成9:1。 也就是说,最终AR、MR、XR等虚拟内容与现实世界融合的产品销量要比全封闭、沉浸式的VR大很多。

随着消费电子行业大幅调低了今年电视、智能手机和电脑的出货预期,全球半导体行业似乎进入了下行周期。相反,基于AR、VR、MR、XR等头戴式终端是人类继电脑、手机之后日常使用的第三块屏这一认知,微软、苹果、脸书、谷歌等行业巨头都在积极备战近眼显示市场。预计到2030年,AR、VR、MR、XR的年销售量将达到今天智能手机的规模,相关近眼显示芯片的年出货量可能达到30亿颗。因此,近眼显示芯片成为今年投融资的风口,多个初创企业近期宣布获得了头部创投机构的投资。

事实上,我们至今仍未能在市面上看到一款令人完全满意的近眼显示芯片。未来谁能成为近眼显示芯片的赢家,目前还有很大的不确定性。近眼显示技术还在不断演进当中,很多技术难点还有待突破,那么哪一种技术路径最终有可能胜出,下面我们给出一些粗浅的分析。

一、近眼显示技术的演进:从LCOS到W OLED

早期的头戴式设备中,大部分采用的是类似LCD显示屏的LCOS的显示技术。这一技术路径的优点是产品十分成熟,最主要的缺点是功耗大,每个LCOS屏的功耗在1瓦左右,而且散热无法做到十分均匀,导致终端设备尺寸必然很大,当然还有分辨率低等其他缺陷,这些问题既影响了续航时间,也导致用户体验感差,所以基本上处于被淘汰的状况。

基于LCOS的头戴式显示终端

从2021年开始,基于白光加彩膜的OLED微显示芯片(以下简称为W OLED)开始大量被主流的终端设备厂商采用,主要的供应商索尼俨然成为行业的主导者。2021年索尼W OLED微显示芯片的销售规模接近8亿美金,市场占比远超LCOS和其它技术路径的芯片,据了解苹果即将推出的MR眼镜选定的也是索尼的W OLED芯片。

目前索尼的W OLED技术成熟,结构简单,功耗只有110毫瓦左右,亮度可以达到3000尼特。与LCOS相比,优势十分明显,基本上满足了VR的亮度和功耗需求。随着市场对于近眼显示产品的看好,京东方、视涯等纷纷开始投资建厂,进入W OLED微显示芯片市场。

基于W OLED的VR终端

基于W OLED带遮阳板的AR终端    

但是,现有的W OLED微显示芯片仍然没有达到整机厂商完全满意的程度,特别是不满足AR、MR应用对亮度的要求。首先,白光加彩膜折射出RGB三色的技术路径会导致发光亮度损失2/3。通常MR的亮度需求在5000尼特左右,AR因为需要考虑室外使用的场景,亮度要求在8000-1万尼特。目前索尼的亮度指标只能做到3000尼特,而国内其他厂商亮度指标更低。

在这种情况下,AR眼镜需要配置遮阳板,导致了现实世界的目标看不清楚,影响了用户体验。另外一个缺陷就是,寿命和稳定性不够。例如,在峰值亮度情况下,一般W OLED的寿命只有100小时左右。最后,W OLED微显示芯片售价十分昂贵,基本上占到了整机成本的1/3。

白光+彩膜的W OLED的工作原理

二、Micro LED的困境:短期无法解决巨量转移、色彩密度等问题

与全球大部分终端厂家转向W OLED相比,国内有少数AR开发商开始采用基于特殊发光衬底材料的Micro LED微显示芯片,甚至有Micro LED供应商称之为AR的终极解决方案。Micro LED的确可以解决AR眼镜中现有W OLED亮度不够高和寿命不够长的问题,比方说,国内有的Micro LED芯片企业甚至可以将发光亮度做到杀伤性武器级别的300万尼特的水准。

但是,这些高亮度Micro LED微显示芯片只能实现单色发光,在变换成RGB全彩色发光过程中,加大了功耗损失。如果要实现Micro LED的RGB三色独立发光,在高密度的情况下,短时间内无法解决巨量转移的问题(设备和工艺挑战的难度太大)。

在目前技术条件下,8000-1万尼特的Micro LED微显示芯片(单色混合成彩色)的功耗至少在600毫瓦以上,像素密度只能达到2000PPI。而AR、MR、XR、VR(并不需要高亮度)的像素密度需求至少在4000PPI以上,未来甚至要求达到1万PPI以上,才能实现4K-8K的显示效果。很显然,与已实现RGB全彩色发光、具有高密度、低功耗优势的W OLED技术相比,Micro LED要达到被主流头戴设备终端厂商接受的程度,还有很漫长的道路要走。

将巨量的LED芯片无偏差地放到电路矩阵中短时间还无法实现

三、新一代显示技术:采用半导体光刻技术的OLED

2022年5月,日本显示(Japan Display,简称JDI)发布了基于半导体光刻的全新OLED技术路径eLEAP,并称之为“显示技术的历史性突破” 。与索尼采用的白光加彩膜的W OLED相比,eLEAP技术生产的OLED显示器的开口率(透光区域与全部区域的比例)可以达到60%,而现有的W OLED产品的开口率约为28%。

这意味着可以在较低电流下驱动OLED显示器,从而延长其使用寿命、提高效率并在需要时实现更高的峰值亮度。事实上,该技术路径(Photolithography, 以下简称为P OLED)最初由欧洲的IMEC研究院提出,并于2017年就公开发布了相关研究报告。

JDI发布的W OLED的开口率与P OLED开口率的比较

不光是日本显示(JDI),韩国三星和国内的元禾(广州)半导体等企业都在沿着IMEC提出的这一技术路径开发相关产品。这一技术的特点是将半导体光刻工艺制程用于显示芯片生产过程中,将OLED发光材料刻制到CMOS基板上。由于P OLED是RGB直接独立发光,所以亮度大幅提升,而且功耗只有W OLED的1/3-1/2。以0.49英寸的为显示芯片而言,发光亮度可以达到1万尼特以上,而功耗在50毫瓦左右。

最关键的是,提升P OLED发光体的密度对半导体光刻技术而言完全不是问题,可以轻松实现2微米(Micro LED只能实现4-7微米)以下的像素尺寸,像素密度可以达到1万PPI以上(目前手机的显示屏的密度只有600PPI)。也就是说基于半导体光刻技术的P OLED微显示芯片可以实现4K-8K、甚至更高的分辨率。有效解决了现行白光加彩膜的W OLED微显示芯片亮度低、功耗高、寿命短、价格昂贵等痛点。

很显然,如同JDI指出的,这种半导体光刻P OLED技术与传统的LCOS、白光加彩膜的W OLED和Micro LED相比是新一代的显示技术。由于中国公司很早参与了IMEC的技术路径研究,所以这一技术中国和国外知名企业处于同一起跑线上,甚至有可能规模化量产的速度要比国外更快。

四、透明直显:未来的AR、VR近眼显示技术的主赛道

目前,无论是Micro LED、W OLED还是P OLED都采用了硅基,所以成本依然很高,而且不可能做到透明。在AR应用中,显示芯片放置于边框上时必然存在视线遮挡的问题(放置于镜框侧面会带来视场角小、光效率低、厚度大等一系列问题),影响了用户体验。在VR应用中,由于需要大尺寸硅基,即使是12英寸的晶圆,最终切割出来的芯片数量也有限,所以无法克服硅基带来的昂贵成本的瓶颈。

硅基显示屏必然导致AR眼镜的视线遮挡

任何技术都会被超越,各领风骚数载而已,不存在一种”终极解决方案“。即使是JDI等推出的最新一代的P OLED也有持续改进的地方。比方说,将现有的OLED材料改良成透明的发光材料,将CMOS基板换成透明的玻璃基板(这一技术称之为Transparent OLED,以下简称为T OLED)。此外,先进的半导体光刻工艺制程不仅用于显示芯片上,还可以用在微阵列透镜制作过程中。

如果采用基于透明的发光材料和透明基板的T OLED技术,并与微阵列透镜一起组成透明直显的光学模组,这样设计出的AR、VR眼镜具有多重优势。比方说,在VR、MR应用中可以享受大尺寸微显示屏带来的视觉盛宴;而在AR、XR应用中,可以消除视线遮挡,获得视觉效果更佳的用户体验感。

据了解,鸿海集团、元禾(广州)半导体科技有限公司等晶圆级光学元件和微显示屏厂商已经在实现以上设想的过程当中。未来已来,不久消费者将会体验到一款玻璃镜片上直接发光的无边框AR眼镜以及高分辨率兼大视场景角的VR眼镜,到底是苹果还是华为或者其他厂商最先推出这种颠覆性的“爆款“,我们拭目以待!

未来透明直显AR眼镜的示意图

不同技术路径的技术参数对比

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