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一篇读懂全球AR微显示技术的今天与明天

近眼显示

2020-06-10

导读：纯干货，无添加 ↑↑↑

本篇转自灵犀微光微信公众号。该篇为灵犀微光前沿探索工程师赵鑫博士在“SID China春季线上技术研讨会——AR&VR和交互技术专场”上发表的报告。

灵犀微光专注于AR底层技术——光学显示，主攻核心器件光学引擎，拥有全球重量最轻的AR显示模组，在光波导领域突破了多项生产工艺难题，是全球范围内率先实现低成本量产光波导镜片的创新企业。

我是灵犀微光的赵鑫，今天很高兴的在SID China 2020年春季分享会上分享以微显示技术在新型AR近眼显示中的应用为题目的一个报告。

今天的报告会分5个部分进行，第1个部分是目前日益增长的对微显示器的市场需求，第2个部分是AR微显示器的一些核心技术指标，第3个部分是目前市场上主流的AR微显示器技术，第4个部分是目前AR对微显示器的需求和现状的一些差异分析，最后一个点是我们灵犀微光的一些积极的探索。

首先进入第1个部分。我们根据IDC的预测可以知道，AR和VR市场上有一个快速的增长，其中AR增速是大于VR的，在2024年AR的出货量会达到1000万台，届时AR也会首次超过VR出货量，那么伴随着这两个市场的快速增长呢，微显示器技术市场也相应的跟随增长，那么预计在2024年，整个微显示器市场的这个整体出货量也会达到1000万片这么一个量级，同时它的这个市场占有率中，在众多的技术方案中，LCOS、DLP、OLED等等技术方案中，Micro-LED的市场份额会经历一个爆发性的增长。

显示器技术中的使用的这个光学方案和一些微显示器方案都是多种多样的，以下这4个代表性的产品为例，例如Nreal使用的是OLED+birdbath的方案，微软的HoloLens2使用的是LBS+衍射光波导方案，那么灵犀呢，使用的是LCOS+阵列光波导方案，之所以有这么多种方案呢，主要是因为这个针对的目标客群是不一样的，对于消费者和工业级客户以及警用安防客户来讲的话，对这个亮度的敏感性，对电池寿命的敏感性，对整体重量的敏感性，以及对整个环境适应性的敏感性，都是具有非常不同的需求，那么配合整个的光学设计，例如你采用的是一个非扩展性的Combiner或者是一个一维扩展器或者是一个二维出瞳扩展器，或者你的光学设计是一个反射式的，或者是一个透过式的这个设计的话，相应的对微显示器的技术指标以及它的这个产品形态都会有一些非常具体的需求。

要满足这6个方面的需求，第1个方面就是亮度方面，首先它要足够亮才能看得清，在室外环境下如果不加墨镜片的话，至少2000nits的入耦到人眼中的亮度是一个及格线。对比度方面的话，那么300:1的这么一个全开全关的对比度也是一个最低的保证。同时因为人眼自身的刷新率来讲，75Hz一个刷新率可以使人眼维持在一个比较舒服的状态。在分辨率方面的话，对于不同的视场角相应的分辨率不同，对于25°视场角的话，720P的分辨率是个必须的及格线。在功耗方面，AR眼镜的这个整体显示上的功耗可以小于1.5W，可以对标我们目前使用的手机的功耗，同时呢，希望它能支持一个局部的刷新以及一个低功耗状态下的静态图像的维持。在这个环境适应性方面的话，-40°~80°是我们希望的一个适用的温度区间，同时能够达到5000多小时的整体使用寿命。

技术指标对AR的微显示也提出了很多的一个技术要求，那么一个AR的近眼显示器系统，我们以这个波导系统为例啊，它是由五个部分去组成的，分别是显示屏，光纤系统，入瞳出瞳扩展器以及人眼，那么微显示器系统主要取决于系统的亮度、对比度、分辨率的数值，那么这个光学系统和这个入瞳共同决定了系统的视场角以及它的F数，因为二维的出瞳扩展呢会啊大大的增加人眼的这个活动范围，就所谓的这个眼盒，那么联系这些所有部件的一个统一的物理方面的定律呢，就是这个Etendue，就是所谓的光学扩展量这个概念，Etendue这个概念的话，实际上来计算来说的话，就是用这个发光的面积去乘以这个发光的角度的正弦值的平方，一句话概括就是越大的视场角越难做出一个比较大的一个眼盒，AR对这个近眼显示的一些微显示器的一个核心的诉求，就是说它发出的光能够恰好填满这个的系统的入瞳，同时它的这个角度也能匹配到我们整个的FOV的视场角，在这样的状况下它整体的能量是有最高的使用效率，同时它的亮度均匀线也是最为均匀的。

微显示器技术的主流的是硅基液晶技术，硅基液晶技术的利用的是液晶分子自身的双折射特性，对入射光线的偏振进行调制，光线经过这个入射液晶和反射之后，整体的偏振它会发生变化，配合上照明PBS之后可以实现光的一个灰阶调制，同时这个LCOS和这个照明系统之间呢，会有一个时序上的同步，在单个时间段里只有红绿蓝中的一个色进行照明，这样的话最终会实现一个全彩的显示，根据液晶技术的不同又分为TN液晶和VA液晶，TN液晶整体的特点就是它是一个较为便宜，具有很高的刷新率的同时对比度比较低的技术，那么VA的话，主要是强调的是这个暗态亮度的压制，所以整体的对比度是比较高的，同时价格也稍微昂贵一些。以硅基液晶作为整体上来看的话，它的优势在于它是成熟廉价，同时它的这个像素密度比较高，整体的能量利率也比较高。它的缺点主要在于它具有比较低的对比度，特别是大的入射角的时候，同时呢它必须和PBS配合使用，这样就限制了整体光机的小型化进程，同时在低温状态下是无法工作的。

Mini Glass和Magic Leap使用的都是这个LCOS的技术，那么目前的这个市场上的主流玩家是这么几家。

下一代的这个显示技术作为替代LCOS的下一代这个显示技术，自从EPSON推出BT-350之后，硅基OLED的这个技术就一直吸引着人们的目光。硅基OLED实际上是在单晶硅上，通过这个制备底部的cmos，再加上白色的发光OLED的材料，再加上这个红绿蓝三个绿色块，最终实现了一个高密度的高亮度的OLED的一个制备，它整体的优势在于contrast是非常高的，会达到100000:1的对比度，同时呢适用的温度范围可以达到-40度到70度，具有很广的色域，同时自身发光，不需照明，它的这个功耗也是比较低的，缺点方面第一点是亮度是比较低的，目前市场上的主流产品的亮度都是小于3000nits，自身的价格会比LCOS贵50%以上，整体的使用寿命如果是高亮度模式的话，会小于3000个小时，同时难以避免的一个情况就是烧屏。

做OLED做的最好的还是日本的SONY和EPSON两家，这个也是两款代表性的产品，一个是爱普生的BT-350，使用的是爱普生自家的硅基OLED，以及Nreal眼镜使用的是索尼的OLED。

Micro-LED呢，可以说是被人称为是下一代最具有挑战者意味的这个微显示器技术，它也是现在当今快速发展的技术，它的原理是将发光机管一个个的小型化，那么单个发光机管的这个大小小于100微米的时候，同时能够密闭的排列在基板上实现开关的时候，我们就认为一个Micro-LED制备完成了。它整体的优势在于它有超高的亮度，具有几十万尼特的亮度，对比度是在100000:1以上，非常广的温度适应性，-70°~100°都可以很好的工作，色域较广同时自发光无需照明以及功耗比较低。劣势在于它是一个新兴的技术，目前整体技术方案还不是很成熟，全彩方案目前依然是稀缺的，目前它的单片价格会大于1000美金。

那么这个整个Micro-LED之所以这么具有竞争性，是主要是因为它采用的是个半导体类似的制成。那么首先呢，它是利用一些光刻的方法将大片的蓝宝石衬底上的LED进行一个小型化，那么小型化的LED被称为累金，这些累金通过一些范德华尔斯力、磁场力、流体力、静电力等力的作用，进行巨量转移，转移到新的做好了cmos背板的这个硅片上进行一个焊接和对坏点的修复，最终进行封装，实现一个微小显示的一个出货，整个AR届的这个预估是三到五年内这个技术就可以成熟，同时苹果SONY和Plessey在这个领域都有所布局。

除去刚才三个主流的技术以外，目前还有厂商使用了LBS 激光束扫描这种技术，它使用的是一个可以在二维环境内发生扭转的一个反射镜，激光束打在上面以后可以对它的这个角度进行调制，实现这个不同的这个视场角。同时如果说没有一个出瞳扩展器的话，那么就是North Focals这种产品形态，激光打在上在这个镜片上就直接反射入人眼，那整个系统的这个Etendue是非常小的，所以就导致它的这个眼盒非常小。另外一个技术方案就是LBS和衍射光波导技术相结合，这就是HoloLens2的技术方案，另外一个方面就是DLP的技术方案，实际上是德州仪器发明的一种微机电系统，小的反射镜在硅片上正12°和负12°两个态上进行切换，在某个态下光线进入成像系统实现成像，在另外一个态下这个光线就会打到吸收体上然后不进入成像系统，就是暗态，代表性的产品是Vuzix Blade。

那么整体上来看的话，目前市场上主流的产品和对微显示器的理想需求，我们可以看到差距是比较大的。举一个例子来讲，就是这个发光角度来看，目前上主流的产品，如OLED以及未来的Micro-LED他们都是一个朗伯体的发射，那么呢，我们其实系统是希望它的发光角度能够进行适当的一个调制，可以和系统的出瞳进行匹配，这样它整体功能利用率才能提的更高，但是目前这样的产品是十分稀缺的。

根据我们刚才的分析，那么现在这个市场上主流的微显示器的技术演进路线会是由LCOS到OLED到Micro-LED的过程，我们可以看到在各方面的技术指标上来看，Micro-LED都会是未来这个整体市场的一个引领者，现在唯一的问题就是量产性和价格问题。

Micro-LED可以满足我们所有AR对微显示器的技术需求之后，那么接下来AR眼镜应该怎么做呢？我们认为下一代的AR眼镜一定会是一个具有非常良好的外观，就像正常眼镜的一个状态，同时呢，它具有非常好的form factor。同时呢，它能够优先的保证到这个信息的私密性，同时呢，在未显示信息的一些区域呢，它是能够具有很高的透过率的，那么对比以上我司做的这个Mini Glass以及MC3，这是灵犀微光做的MC3眼镜和这个magic leap2和HoloLens2这些眼镜，我们可以看到就是目前的这些头盔式AR眼镜还是不能够满足到未来大家对AR眼镜的一个希望或者是一个需求。

在这方面，灵犀微光一直致力于能够解决这个阵列光波导的一些问题。作为阵列光波导的先行者，我们一直在努力解决这个系统中的鬼像问题、亮度不均匀性问题、色差问题以及可量产性问题。目前我们推出量产的AW-70s可以达到800nits的入眼亮度，同时可以达到650:1的这个对比度，整体整机重量可以小于11克，是专为这个消费级市场的微小型的AR眼镜进行开发的一款产品，同时针对这个军工客户以及专业级客户的一些需求，还开发了AWO-73和AWD等产品，这些产品分别使用的是OLED和DLP，我们也对相关方面的这个设计积累了很多经验。

在这里分享我们灵犀最近的一个最新的进展，在年后复工之后，我们开发了世界上第1款使用Micro-LED的阵列光波导光机，它自身的亮度可以达到6000nits的入眼亮度，它的整个对比度可以达到100000:1，它的环境适应性可以达到-55°~80°的温度适用范围，可以说我们基本上做到了对理想的AR微显示器的一个需求。

说一千道一万，我们分析了这么多，未来的话，随着微显示器技术的进步，随着这个阵列光波导技术的进步，我们相信，我们终将会能够做到一款类似于Kingsman的一款AR眼镜，既能够高透过，然后对信息高保真的形式，同时它的体积小，然后外形美观。相信这一天会尽早的到来，我觉得随着大家的努力，这一天会尽早到来。

OK，这就是今天我的分享，谢谢大家。