显示专家Guttag CES分享：MicroLED+光波导

　　近眼显示技术专家卡尔·古塔格(Karl Guttag)正继续分享自己的CES 2023和SPIE AR/VR/MR 2023之旅。本次的分析对象不是单一的公司，而是涉及MicroLED+波导组合的众多企业。

　　对于MicroLED显示器与波导的关系。例如，一个MicroLED光波导模块可以由三个部分组成：MicroLED屏幕、光引擎模块和波导透镜。其中，MicroLED发出的图像光在经过光学模块准直后可以耦合到波导。然后再经过波导的多次全内反射后，光从波导耦出，并在视窗投影虚拟图像供用户查看。

　　引言

　　我的CES 2023和SPIE AR/VR/MR 2023系列分享依然在继续，而本次对象主要是MicroLED。在AR/VR/MR 2023大会，MicroLED企业非常活跃。

　　上图是我近年来看过的MicroLED企业。蓝色星标是我在AR/VR/MR 2023大会有过交谈的公司，其中Jade Bird Display、PlayNitride、Porotech和MICLEDI在大会设有展位。绿色括号表示我有亲眼见过MicroLED显示生成图像的企业。对于黄色方框内的企业，括号里面的是他们购买的MicroLED公司。MicroLED是Meta、苹果和谷歌等科技巨头押注未来的显示技术。

　　参与MicroLED开发的企业名单更为广泛，具体可以访问致力于跟踪MicroLED行业的microd-info.com。

　　大多数LED通过波导发射到眼睛的Labertian光的效率是我研究多年的一个课题，并会在本篇博文中进行首先讨论。

　　MicroLED和波导

　　当第一次听到MicroLED输出数百万尼特时，你可能会认为“用波导将数千尼特送至眼睛以供户外使用”是杀鸡焉用牛刀。但由于光瞳扩张和光损失，只有一小部分光线能够进入眼睛。下图显示了衍射波导的效率问题：

　　大多数LED输出漫射Labertian光，而波导需要准直光。通常，微型光学元件位于MicroLED的上方并致使光半准直。一般来说，用于描述MicroLED显示器的尼特是指通过微型光学元件之后的尼特。由于光学扩展量，波导的小入射面积严重限制了光线，所以又称为光学扩展量损失。另外，它们存在光瞳扩展/复制结构所造成的损失问题。最后，从小入口区域进入的光线最终扩散到更大的出口区域，以支持在眼睛移动时在整个视场中看到图像。

　　使用JBD MicroLED衍射波导的头显

　　有趣的是，尽管我见过的所有其他原型都使用了Jade Bird Display(JBD)的MicroLED，包括Vuzix、Oppo、TCL、Dispelix和Waveoptics(在被Snap收购之前)，但他们自己摆在展台的却是采用“克隆”Lumus2D扩展反射波导的珑璟光电产品(图像质量更低)的投影仪原型。然后在Playnitride展台，他们展示了的是Lumus反射波导。应该指出的是，尽管效率是一个主要因素，但包括成本在内的其他设计因素将推动不同的决策考量。

　　反射波导(Lumus)比MicroLED衍射波导的高效

　　根据Lumus的说法，他们的2D反射波导实现了3倍-9倍的入射面积，并且半反射面的光损失要少于衍射光栅损。最终结果是，反射波导的光学效率可以比具有相同MicroLED的衍射波导高5倍至10倍，这是亮度和功率方面的主要优势(即更少的热量和更长的续航)。这种效率优势似乎已经在AR/VR/MR 2023大会显现出来。

　　如上图所示，Playnitride在展位(左下方和中间)显著摆放了使用Lumus 2D和1D反射波导的MicroLED。他们的全彩QD MicroLED仅输出约150K尼特，所以需要更高效的波导。Playnitride使用蓝色LED的量子点转换来提供红色和绿色。

　　在AR/VR/MR 2023大会的肖特展位，Lumus是唯一一家有出镜的企业。关于Lumus，经常被问到的问题是他们是否能够批量生产。肖特的代表向我保证，他们可以批量生产Lumus的2D波导。

　　我计划在下一篇文章中介绍Lumus的新型Z-Lens 2D波导。

　　其他光学元件(如Bird Bath、Freeform和VR Pancake)和MicroOLED

　　我想在这里指出，尽管MicroLED比MicroOLED亮度高几百到一千倍，但它们离实现几乎相同的颜色控制和均匀性方面可能尚需五年多的时间。所以在可预见的未来，图像质量优先级高于亮度的设计将继续使用Micro OLED或LCD，如Bird Bath、Freeform和VR Pancake。预计MicroOLED的亮度可以继续提升，有厂商声称他们已经制定了达到约30万尼特的路线图。

　　基于Jade Bird Display(JBD)的AR眼镜

　　JBD是我所知的唯一一家生产MicroLED的公司。我见过的所有头显都使用JBD的640×480绿色MicroLED，包括Vuzix(Ultralite和Shield)、Oppo和Waveoptics(2022年被Snap收购前)。JBD正在开发支持更高像素深度和更高分辨率的组件。

　　JBD当前的绿色MicroLED仅支持每像素4位或16个亮度级别，同时会显示带有平滑阴影区域的轮廓线。我听说JBD未来的设计将支持更多亮度级别。尽管我看到像素间亮度差异在这一年中不断改善，并且它们是我见过的最均匀的MicroLED元件，但原本应该平整的区域依然会出现可见的“颗粒”。

　　Vuzix

　　在CES 2023大会，Vuzix通过他们的Utralight眼镜展示了最小可能的尺寸，而且重量仅为38克(不比一般眼镜重多少)。另外，下图左下方的光引擎比较了Utraligh MicroLED(仅绿色)，Color Cube投影引擎，以及Vuzix的旧DLP设计。

　　Vuzix Shield和Ultralight采用相同的小型绿色MicroLED引擎。引擎和Vuzix波导的组合能够达到4100尼特，足够明亮，可以在户外使用。MicroLED的功耗与平均像素值(APV)大致成比例。Vuzix的首席执行官保罗·特拉弗斯(Paul Travers)表示，Ultralight消耗的电量非常少，通常一次充电就能工作两天。Vuzix同时改进了波导，显著减少了正向投影。

　　Vuzix正在与数家MicroLED公司密切合作。

　　Oppo

　　在AR/VR/MR 2023大会，Oppo展示了形状类似于Vuzix Ultralight的JBD绿色MicroLED眼镜。它们的整体图像质量和分辨率似乎接近。

　　TCL和JBD X-Cube Color

　　在CES 2023大会，TCL展示了采用JBD多色三芯的原型眼镜。它似乎使用了衍射光栅波导，而这与我见过的其他眼镜非常不同，因为出射光栅在光传输中具有非常大的阶数(下图)。这个波导不同于JBD在其展位或其他衍射波导中展示的反射波导。我见过不均匀的衍射波导，但在输出光栅中从未出现过这样大的阶数。尽管我没有机会体验TCL眼镜的图像，但听其他人说显示图像质量不是非常好。

　　歌尔设计和制造JBD投影引擎

　　在AR/VR/MR大会上，歌尔表示他们正在为JBD的MicroLED制作仅绿色和Color X-Cube设计。值得一提的是，歌尔股份是众多著名品牌的光学设计和OEM厂商，包括苹果、微软、索尼、三星和联想等巨头。

　　Porotech、Ostendo和Innovation Semiconductor的颜色可调LED

　　我在前面的博文谈过Porotech。在2022年，他们开发了单色InGaS红绿蓝MicroLED，特别是他们的单发射器颜色可调LED。

　　下面是我在Porotech展台拍摄的一段短视频。抱歉的是，当我从静止模式切换到视频模式时，由于颜色变化，亮度范围很广，所以会出现晕染。这个演示显示了整个显示器的颜色变化，因为Porotech没有可以逐像素改变颜色的背板。

　　在CES 2023大会，Ostendo提醒说他们在数年前就开发出了颜色可调LED。果然，Ostendo在2016年2月的《Journal of the SPIE》发表了相关的进展。不过，我没有看到证据表明Ostendo已经接近于从单LED原型迈向下一个阶段。

　　初创公司Innovation Semiconductor正在开发将控制晶体管电路集成到InGaS衬底中的技术。他们同时开发了一种用于制造颜色可调LED的“V型槽”技术。Innovation Semi引用了加州大学圣塔芭芭拉分校的研究成果以及他们自己的研究成果，认为V型槽可能是比Porotech和Ostendo所采用的方法更有效的颜色可调LED生产方法。

　　我对Innovation在GaN中集成控制晶体管方法的一个主要担忧是，它们是否能够集成足够的控制电路，同时不会令器件过于昂贵和/或使像素尺寸变大。

　　PlayNitride

　　PlayNitride展示了全彩MicroLED技术，使用带有量子点转换的蓝色LED来产生红色和绿色。在150K尼特的温度下，它们与MicroOLED相比非常明亮，但远不如JBD和Porotech等公司的原生红色、绿色和蓝色MicroLED明亮。

　　如前所述，PlayNitride展示了MicroLED+Lumus波导。不过，尽管Lumus波导比衍射波导效率更高，但显示器的150K尼特对于实际应用来说依然不够明亮。它们的亮度大约是JBD和Porotech的原生MicroLED的1/10，而且像素更大。

　　PlayNitride是唯一一家展示高分辨率(1K×1K和1080P)全彩单芯MicroLED显示器的公司。当然，它们只是原型，而绿色和红色明显弱于蓝色，同时红色更偏洋红色(红色和蓝色混合)。

　　2倍变焦，你可以看到与像素间亮度差异相关的“颗粒”。另外，在红色箭头所指的红色楔形中，你可以看到色差/彩纹。

　　量子点空间颜色转换和微型显示器的已知问题

　　多年来，蓝色和UV LED的量子点颜色转换一直是作为制造全彩MicroLED的方法，但在非常小的微型显示器像素中使用量子点存在特殊问题。通常，当像素变小时，转换所需的量子点层保持大致相同的厚度，导致与像素大小相比量子点堆叠非常高。然后，它需要某种形式的微观障壁，以防止来自相邻LED的光照亮错误的颜色。

　　有厂商尝试使用更薄的量子点层，然后依靠滤色片来处理颜色，但这带来了效率的显著损失和热量问题。量子点材料在退化之前的驱动强度同样存在问题，而这将限制亮度。使用空间颜色本身存在像素变得太大而无法在AR中使用的问题。

　　对于制作更大的Direct View和VR像素，上述问题中的许多都会变得非常不同。随着像素越来越大，量子点层的厚度变得不成问题，并且空间颜色一直有用于更大的像素。我们已经看到，基于像素大小和应用，行业已经在使用不同的OLED技术。例如，彩色滤光OLED在大屏幕电视中胜出，而原生彩色OLED子像素在智能手机、智能手表和微型显示器OLED中有应用。

　　堆叠式MicroLED

　　尽管我没有在CES 2023或AR/VR/MR 2023看到麻省理工学院，但麻省理工学院的堆叠彩色MicroLED在这期间成为了新闻。我不知道细节，但听起来与Ostendo讨论的内容相似。另外，MICLEDI开发了一种堆叠彩色LED技术，其中LED并排。

　　堆叠颜色的明显优点是全色更小。但缺点LED和其他电路阻挡来自较低LED的光。最终结果是，堆叠式LED可能比MicroOLED亮得多，但不及其他MicroLED技术。同样令人担忧的是，红色是当今效率最低的颜色，而它似乎最终位于最底层。

　　由于中等的亮度，堆叠式MicroLED可能会针对非波导光学设计。Ostendo一直在开发将多个小型MicroLED拼接在一起，以提供更宽视场的设计。

　　结论

　　诸多大公司和小公司都在押注MicroLED将成为VR和AR的微型显示器技术的未来。同时，我们应该意识到，它们在图像质量方面都没有竞争力。另外，它存在一系列的制造和技术障碍有待解决。每种生产全彩MicroLED的方法都有优点和缺点。AR的挑战是在高亮度、低功耗和小尺寸下支持全彩显示器和更高分辨率。我看不出X cube、波导或其他方法的单色显示器可以成为长期的AR解决方案。

　　我经常提醒大家，Demo并不意味着他们会投入生产。有些技术方法可以快速制成一次性演示，但不可批量制造。当涉及到彩色MicroLED时，这个提醒尤其正确。对于AR中使用的MicroLED，我认为原生LED能够胜过颜色转换的蓝色LED。

　　看到市场采用小尺寸但仅绿色的AR眼镜会很有趣。尽管它们看起来像是可接受的眼镜形态，但它们没有很好的视力矫正解决方案，而且只使用绿色会限制消费者的兴趣。

　　一个持续存在的问题是，哪种光学元件最适合MicroLED。所述问题的一部分将受到来自LED的光准直程度的影响。Lumus开发的2D反射波导具有显著的效率优势，但今天有更多的公司使用衍射波导。

　　附录：MicroLED背景信息

　　什么是MicroLED企业?

　　成功的MicroLED不仅仅是制造LED;你需要制造完整的显示器，并且能够以合理成本精确控制它。

　　从fabless，到可能设计和制造LED、设计CMOS控制背板，然后将InGaS LED组装和电连接到CMOS背板，“MicroLED企业”的构成千差万别。几乎每一家公司都有不同的“流程”或顺序来组装/组合各种技术。例如，下面是JBD给出的流程，他们似乎正在应用外延工艺在CMOS晶圆形成LED。其他公司则首先在InGaN晶圆形成LED，然后将完成的晶体管阵列键合到完成的CMOS控制器件之上。

　　没有一摸一样的方法，行业存在众多不同的方法。更为复杂的是，大多数InGaN制造都是在直径为150mm至200mm的晶圆上完成。相比之下，目前主流的CMOS是在300mm晶圆上制造。

　　微型显示器与Direct View像素大小

　　MicroLED显示器的产品种类繁多。如上图所示，Direct View智能手机或智能手表的像素大约是AR微型显示器的像素尺寸的300倍到600倍左右。

　　VR头显最初采用的是手机型显示器，并提供低成本的光学器件来帮助人眼对焦，但为了提高角分辨率，厂商一直在降低像素大小。最新的趋势是使用Pancake光学元件，它可以使用更小的像素来实现更小的头显。

　　由于像素尺寸完全不同，支持特定像素尺寸的最佳技术可能会发生变化。波导AR使用的微型显示器需要带半导体(通常是CMOS)晶体管的微型显示器。电视、智能手机和智能手表使用各种类型的薄膜晶体管。

　　特别是关于支持MicroLED的颜色，用于微型显示器的技术可能与用于Direct View型显示器的技术非常不同。例如，尽管蓝色或UV光的量子点颜色转换可能是支持更大显示器的好方法，但它似乎不能很好地适应AR中的像素尺寸。

　　多色、全彩或真彩色

　　尽管不是“行业标准定义”，但为了便于讨论，我想定义三类彩色显示器： 多色：提供多种可识别的颜色，至少包括红色、绿色和蓝色原色。这种类型的显示器对于提供基本信息和对其进行颜色编码非常有用。通常在本应平滑着色的表面出现非常明显的“轮廓线”。 全彩：支持多种颜色，光滑表面，不会有明显的轮廓，但整个显示器的颜色控制不足以显示人物照片。 真彩色：显示器能够进行合理准确的颜色控制。重要的是，人类视觉对面部和肤色特别敏感，而它的表现看起来非常好。如果显示器是“真彩色”，它同时应该能够控制“白点”，白色看起来是白色，灰色看起来是灰色。没有可见的轮廓。

　　下面的图像是“多色”、“全彩”和“真彩”图像的示例：

　　在某些人看来，我对“全彩”和“真彩色”的定义似乎是多余的，但这么多年来，我看到了大量可以显示颜色，但无法很好地控制颜色的显示器。我把这个问题称为“皮克斯化”，因为卡通人物可以显示出色彩饱和度，但不能够显示人类，因为这需要精确的色彩控制。

　　皮克斯化：仅显示卡通角色，因为设备无法很好地控制颜色和/或分辨率低。人的绝对颜色感知能力非常差，但往往对肤色非常敏感。人类视觉系统在判断卡通中的颜色是否正确方面非常差。另外，观看动画片时很难分辨分辨率。

　　应该指出的是，当与其他颜色组合时，可以被眼睛接受的单色图像看起来会非常糟糕。单色显示器中的弱像素将变成彩色像素或颜色偏移像素，并突出显示。下面的图片是一个简化的Photoshop模拟，显示了如果随机噪点以各种颜色出现会发生什么事情。

　　左侧图像显示了全彩图像的效果，右侧图像显示了与单绿色相同数量的随机噪点和调光(绿色)。注意，右侧图像是灰度图像，然后转换为绿色，而不仅仅是真彩色图像的绿色通道。在仅绿色的图像中，你可以看到一定的噪点和轻微的变暗，这甚至可能不明显，而在彩色图像中，它变成了品红色区域。

　　我在2012年的一篇文章中写到了“Stilliphobia”，即对展示静止图像的恐惧。他们会显示非常繁忙的内容和/或大量运动以隐藏显示器中的弱像素。当我看到存在不必要的大量运动的图像时，我立刻会认为他们是在试图隐藏问题。

　　今天的大多数MicroLED显示器都致力于实现多色显示器，而且与真颜色显示器相去甚远。迄今为止，我见过的所有MicroLED显示器都有较大的像素间差异。如果不能精确控制各个颜色，则无论进行多少校准都不足以产生良好的照片图像。好消息是，如今的大多数AR应用程序只需要多色显示器。