近年來，市面上出現(xiàn)了多款基于Micro LED和光波導(dǎo)的AR眼鏡，此類設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)小巧、輕便的眼鏡外觀，部分方案已實(shí)現(xiàn)彩色顯示。不過由于光波導(dǎo)光效問題，亮度輸入數(shù)百萬尼特，輸出只有數(shù)千尼特。近期，AR/VR光學(xué)專家Karl Guttag結(jié)合CES 2023上展示的Micro LED+光波導(dǎo)方案，詳細(xì)分析了各種不同設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及此類方案面臨的挑戰(zhàn)和趨勢。

據(jù)了解，大部分中端手機(jī)的亮度約達(dá)500-700尼特，部分旗艦機(jī)的亮度可達(dá)到800甚至1000尼特。相比之下，一些光波導(dǎo)AR眼鏡為了能在戶外使用，亮度竟可達(dá)到數(shù)千尼特。光波導(dǎo)AR眼鏡需要很高的輸入亮度，除了在強(qiáng)光下顯示外，也是由于光瞳擴(kuò)展和光線損失，光波導(dǎo)的效率較低，只有一小部分光線進(jìn)入人眼。假如光源的亮度達(dá)數(shù)百萬尼特，進(jìn)入人眼的可能只有數(shù)千尼特。

為什么說光波導(dǎo)光效低呢？通常，大多數(shù)LED幾乎都是朗伯光，而光波導(dǎo)需要準(zhǔn)直光。因此，一般會(huì)在Micro LED需配合小型光學(xué)器件（比如MLA微透鏡陣列）將光線部分準(zhǔn)直，同時(shí)提升亮度。由于物理特性“光展度”，光波導(dǎo)的入射區(qū)面積嚴(yán)重限制了可輸入的光，這也被稱為光展度損失。盡管光波導(dǎo)的入射小，但是光線會(huì)在光波導(dǎo)上分散擴(kuò)大，從而覆蓋FOV，此外擴(kuò)瞳也會(huì)造成光損。

多款A(yù)R眼鏡采用JBD Micro LED+衍射波導(dǎo)

在CES 2023展臺(tái)上，可以看到Vuzix、OPPO、TCL、Dispelix、WaveOptics等公司都展示了基于JBD Micro LED和衍射光波導(dǎo)的AR原型。除了衍射光波導(dǎo)外，還有瓏璟光電的二維擴(kuò)瞳陣列波導(dǎo)，搭配了一個(gè)三屏全彩光機(jī)。而在Playntride展臺(tái)上展示了Lumus陣列波導(dǎo)，這些公司選擇的光學(xué)方案不同，除了與光效有關(guān)外，也受到成本等其他因素推動(dòng)。

在CES 2023期間，Guttag再次表示：Lumus陣列光波導(dǎo)相比衍射光波導(dǎo)的光效優(yōu)勢明顯，一方面是耦入面積大3到9倍，另一方面半反射面損失的光比衍射光柵少。因此Lumus的光效比衍射光波導(dǎo)高5到10倍以上，在亮度和功率上表現(xiàn)更好。

在PlayNitride展示QD Micro LED+二維陣列光波導(dǎo)，以及QD Micro LED+一維陣列光波導(dǎo)的方案。PlayNitride的全彩QD-Micro LED僅能輸出約15萬尼特，因此需要更高效的光波導(dǎo)。

雖然Micro LED亮度比Micro OLED高數(shù)百到一千倍以上，但Micro LED可能還需要5年或更長才能達(dá)到與Micro OLED的色控和均勻水準(zhǔn)。因此短期內(nèi)，像Birdbath、自由曲面、Pancake等更追求圖像質(zhì)量，而非提升亮度，且光效比光波導(dǎo)更高的方案，也將繼續(xù)使用Micro OLED或LCD光源。與此同時(shí)，Micro OLED的亮度也將提高，甚至有公司預(yù)計(jì)提升至30K尼特。

JBD方案AR眼鏡

Guttag表示，JBD是他唯一知道的已量產(chǎn)Micro LED的公司，很多AR眼鏡在使用JBD 640x480分辨率單綠色屏，比如Vuzix（Ultralite、Shield）、OPPO和WaveOptics。此外，JBD也在開發(fā)像素深度更高、分辨率更高的方案。

目前，JBD的單綠色Micro LED色深為4bit，僅支持16個(gè)亮度級(jí)別，其顯示的輪廓線會(huì)伴隨著平滑的陰影區(qū)域，據(jù)悉正在設(shè)計(jì)更大亮度級(jí)別的產(chǎn)品。

Guttag表示：在過去一年中，JBD的Micro LED已經(jīng)是市面上最均勻的，其像素間亮度差異在不斷改善。盡管如此，表現(xiàn)也有一些問題，例如在本應(yīng)是實(shí)心的區(qū)域仍有明顯的顆粒感。

1）Vuzix

Vuzix Ultralite重38g，此前Vuzix光機(jī)幾乎都是DLP方案，而Shield和Ultralite則采用了單綠色Micro LED光機(jī)。在展臺(tái)上，Vuzix展示了單綠色Micro LED、RGB Micro LED和DLP光機(jī)之間的大小差別，單綠色方案要小得多，不過DLP的優(yōu)勢是可顯示真色彩，它們的分辨率差別不大。

Vuzix應(yīng)用Micro LED光機(jī)后亮度可達(dá)4100尼特，可滿足戶外使用需求。功率方面，Micro LED耗電量大約與平均像素值（APV）成正比，因此Ultralite功耗很小，一次充電正?？墒褂脙商臁?/p>

2）OPPO

OPPO在CES 2023上展示了基于單綠色Micro LED（JBD）的AR眼鏡，外觀、圖像質(zhì)量、分辨率都與Vuzix Ultralite接近。

3）TCL

TCL展示了基于JBD的三色光機(jī)（3-Chip+X-Cube，結(jié)合瓏璟光電波導(dǎo)）。Guttag表示：這款產(chǎn)品疑似衍射光波導(dǎo)，但和我此前見過的有明顯不同，出現(xiàn)了類似于陣列波導(dǎo)的條紋，而且光柵“寬度”要大得多。

4）歌爾&JBD模組

歌爾展示了單綠和全彩X-Cube Micro LED光機(jī)。值得注意的是，歌爾是多家大牌產(chǎn)品的代工廠，曾服務(wù)于蘋果、微軟、索尼、三星、聯(lián)想等公司。

顏色可調(diào)LED

去年，Porotech曾推出單紅色、單綠色、單藍(lán)色的InGaAs Micro LED方案，以及單像素全彩可調(diào)方案（DynamicPixelTuning，DPT），受到了很多關(guān)注。

下面是使用微距鏡頭拍攝的DPT演示效果，視頻中展示了整塊屏幕色彩變化過程。

Ostendo幾年前就研發(fā)顏色可調(diào)的LED，此前其彩色堆疊Micro LED比較出名，六年前開始研發(fā)覆蓋全RGB色域的氮化鎵單片LED，并發(fā)表論文。不過，Ostendo方案似乎還停留在單色LED原型階段，還未進(jìn)一步迭代。

Innovation Semiconductor正在研發(fā)一種將控制晶體管電路與InGaAs背板集成的技術(shù)，特點(diǎn)是替代了更常見的混合InAs、CMOS方案。此外，也在開發(fā)一種顏色可調(diào)LED制造工藝，稱為“V-grove”。Guttag表示：結(jié)合Innovation的論文來看，用V-grove工藝生產(chǎn)顏色可調(diào)LED，可能比Porotech、Ostendo方案更有效。

對(duì)于Innovation在GaN中集成晶體管的方案，Guttag擔(dān)心它能否在控制成本、像素尺寸的同時(shí)，保證集成控制電路的數(shù)量。

PlayNitride（藍(lán)色LED，支持QD空間顏色轉(zhuǎn)換）

PlayNitride展示了全彩色Micro LED方案，該方案為單藍(lán)色顯示，但可通過量子點(diǎn)（QD）技術(shù)轉(zhuǎn)換成紅色和綠色。該方案亮度為15萬尼特，比Micro OLED更亮，但比JBD、Porotech等原生RGB Micro LED要低得多（相當(dāng)于十分之一）。

在CES 2023上，PlayNitride將Micro LED與Lumus光波導(dǎo)結(jié)合展示，盡管Lumus光波導(dǎo)光效高，但Micro LED的15萬尼特亮度還是不夠?qū)嵱茫蚁袼亻g距大。

PlayNitride展示的只是原型，但也是CES上唯一個(gè)高分辨率全彩色單片Micro LED（1Kx1K和1080p）。不過，其綠色和紅色明顯比藍(lán)色顯示更暗，紅色不夠正，更接近洋紅色（紅藍(lán)混色）。而且放大兩倍來看，其像素存在色差、亮度差異和顆?，F(xiàn)象。

QD空間顏色轉(zhuǎn)換與微顯示器

實(shí)際上，利用QD顏色轉(zhuǎn)換來將藍(lán)色和UV LED轉(zhuǎn)化為RGB LED的方案，已經(jīng)提出多年。但在Micro LED這種微型顯示器上使用QD工藝，存在一些特殊問題。比如，空間顏色方案的像素太大，不適合AR/VR，即使像素變小，轉(zhuǎn)換色彩的QD層依然具有厚度，此外它還需要某種微型“擋板”，來防止相鄰的LED發(fā)出錯(cuò)誤顏色。

一些方案采用更薄的QD層，但需要依靠濾色器來“清理”顏色，降低效率，還會(huì)產(chǎn)生熱量。值得注意的是，QD材料需要足夠耐用，才能不限制亮度。

MICLEDI的重組InGaS晶圓

MICLEDI成立于2019年，是比利時(shí)IMEC研究所的衍生公司，也是一家無晶圓Micro LED廠商。工藝特點(diǎn)是，每個(gè)芯片具有單一顏色，支持空間顏色（顏色并排）和堆疊顏色方案。MICLEDI還開發(fā)了基于GaN和AlinGAP的紅色工藝。

Guttag指出，從CES 2023展示的方案來看，MICLEDI目前似乎沒有明確的方向，主要是向其他廠商提供可授權(quán)的技術(shù)。盡管如此，MICLEDI的一大亮點(diǎn)是可使用100/150/200毫米Gan或AlinGAP晶圓，來制作“重組”PNP晶圓。這些重組晶圓可通過現(xiàn)有的300毫米CMOS晶圓工藝來實(shí)現(xiàn)覆晶封裝。

現(xiàn)階段，幾乎所有的LED制造都是在小尺寸晶圓上進(jìn)行的，比主流的CMOS工藝所使用的晶圓小得多。通常，在制造LED時(shí)會(huì)將有間隔的LED陣列放在更大的CMOS晶圓上，來實(shí)現(xiàn)小型GaN晶圓覆晶封裝，丟棄了大部分多余的CMOS晶圓。

堆疊式Micro LED

MIT在CES 2023期間公布了堆疊式RGB Micro LED工藝，似乎與Ostendo的研究內(nèi)容相似。

Ostendo也在研究類似的技術(shù)，并將多個(gè)小型Micro LED拼接，來擴(kuò)大FOV。MICLEDI也曾開發(fā)LED并排排列式固定色彩方案。

堆疊色彩的優(yōu)勢是，可實(shí)現(xiàn)尺寸更小的RGB屏幕，缺點(diǎn)是上方的LED和電路會(huì)阻擋下方LED光線。因此，盡管堆疊式Micro LED可能比Micro OLED更亮，但沒有其他Micro LED方案亮。更重要的是，現(xiàn)階段紅色LED是效率最低的顏色，但它卻在堆疊方案的最底層。

由于堆疊式LED的亮度中等，它可能更適合跟非光波導(dǎo)光學(xué)模組結(jié)合。

總結(jié)

Guttag認(rèn)為，很多公司都在押注Micro LED，并將它視作AR/VR微顯示技術(shù)的未來。不過在圖像質(zhì)量方面，現(xiàn)有的Micro LED技術(shù)還無法和Micro OLED、LCoS、DLP競爭，而且在制造、技術(shù)上還有未解決的難題。

每種Micro LED制造工藝都有優(yōu)缺點(diǎn)，還沒有一種整體最佳的方案。如果將Micro LED用于AR眼鏡，那么它需要實(shí)現(xiàn)高亮度、低功耗、小尺寸、支持全彩顯示和高分辨率?，F(xiàn)階段，基于合色棱鏡、光波導(dǎo)等方案的單色顯示屏還不足以成為長期的AR方案。

換句話說，盡管市面上已經(jīng)有多種Micro LED demo，但誰能量產(chǎn)尚無定論，一些原型僅為一次性手板，尤其是彩色Micro LED量產(chǎn)難度更高。

Guttag還指出，對(duì)于AR眼鏡來講，原生RGB LED比色彩轉(zhuǎn)換的藍(lán)色LED（如QD方案）更好。而至于單綠色AR眼鏡，雖然外形時(shí)尚、尺寸小巧、也足夠輕，但缺少合適的視力矯正機(jī)制，而且單色顯示可能限制消費(fèi)者興趣。另外一個(gè)持續(xù)存在的問題，就是哪種光學(xué)模組最適合Micro LED，影響這一問題的因素包括LED光準(zhǔn)直的程度。

Micro LED技術(shù)解析

1）Micro LED公司定義

成功的Micro LED公司不僅需要能制造LED，還需要設(shè)計(jì)完整的顯示方案，并能控制成本。Micro LED公司有很多種類，包括無晶圓設(shè)計(jì)公司，以及能設(shè)計(jì)和制造LED的公司，以及設(shè)計(jì)CMOS控制背板，或是能將InGaS組裝到CMOS背板上的LED公司。幾乎每家公司組裝Micro LED的流程或順序都不同。

比如JBD，就是利用Epi-layer工藝，在CMOS晶圓頂部外延LED，而有的其他公司，則是先在InGaN晶圓上形成LED，然后將完成的晶體管陣列鍵合到CMOS控制設(shè)備成品上。

現(xiàn)階段，還沒有通用的Micro LED工藝，更復(fù)雜的是，大多數(shù)InGaN制造是基于150毫米-200毫米的晶圓完成的。

2）微顯示器與直視像素尺寸

Micro LED技術(shù)可用于各種不同的顯示設(shè)備中，比如壁掛式顯示器、電視、微顯示器、AR/VR等等。AR使用的Micro LED通常比智能手機(jī)或手表的像素小300到600倍左右，基于光波導(dǎo)的AR所使用的Micro LED與VR使用的Micro LED像素尺寸接近。

VR顯示方案本質(zhì)上是一種直視顯示設(shè)計(jì)，其使用光學(xué)透鏡來聚焦光，但卻依賴降低像素尺寸來提升角分辨率。AR和VR之間有一些共享的顯示元件，比如部分大尺寸AR眼鏡也會(huì)使用VR中常見的顯示屏，而Pancake VR頭顯則采用Micro OLED屏幕，一些Birdbath AR也是如此。

由于所需的像素尺寸不同，AR/VR、電視、智能手機(jī)使用的顯示技術(shù)也不同。尤其是AR采用的RGB Micro LED方案，與直視型顯示器的方案有較大差異。比如，一些顯示屏可通過藍(lán)色、紫外線的量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換來擴(kuò)大顯示區(qū)域，但這不能很好地滿足AR對(duì)于小尺寸像素的需求。

3）多色、全彩色、真彩色

為了便于討論，Guttag為RGB顯示方案提出了三個(gè)分類：多色、全彩色和真彩色，它們的定義如下：

多色（JBD）：包括RGB等多種可識(shí)別的顏色，適用于顯示基本信息和顏色編碼，缺點(diǎn)是色控和色彩飽和度不夠好，顯示照片的效果更像卡通，而且平滑陰影看起來有明顯的輪廓線；

全彩色（PlayNitride）：支持廣泛的色域，顯示光滑表面沒有明顯輪廓，但在顯示人物照片時(shí)色控能力不足；

真彩色：支持相當(dāng)準(zhǔn)確的色控，可顯示純白色和純黑色，面部和膚色顯示效果不錯(cuò)，表面輪廓不明顯。

Guttag指出，人眼對(duì)于膚色非常敏感，但在判斷卡通顏色正確方面能力較弱，因此在看動(dòng)畫片時(shí)很難區(qū)分分辨率。一些AR原型由于校準(zhǔn)過程未完成，所以常用卡通圖像來展示色彩，而很少展示真人圖像，因?yàn)轱@示真人需要精準(zhǔn)的色控能力。除此之外，一些AR眼鏡在顯示靜止照片時(shí)，會(huì)比顯示動(dòng)態(tài)視頻/圖像更容易看出問題。

目前，大多數(shù)Micro LED屏幕都在追求多色顯示，而距離真彩色還有較遠(yuǎn)的距離。好在，現(xiàn)階段大多數(shù)AR應(yīng)用只需要多色顯示方案。另外，Guttag表示：迄今為止，我了解過的每款Micro LED都存在明顯的像素間差異，如果無法準(zhǔn)確控制演示額，那么使用再多的校正或mura校正也很難清晰顯示照片。參考：Karl Guttag