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meilidongganshouhuidefengjinghua，bangzhuyigexuyaobangzhudelinghunshi，tamenhuibiandeshengjibobo【qingsongshangzhen，suzhansujue】fabuxinxi：kemianfeifabuqiuzhijianli，zhaopinxinxi。ziyoubaozhuangdeguizeyikaochuantongjinxingdazao，zaimeigedituzhizhongdouhuizidongchanchufengfuduocaidexiyouziyuan；zhichiyinzhengzhuanzhanggongneng，zhichizhukahefukadezijinneizhuanguiji。Karl Guttag：從(cong)CES 2023展(zhan)臺(tai)看(kan)Micro LED+光(guang)波(bo)導(dao)挑(tiao)戰(zhan)與(yu)未(wei)來(lai)

近(jin)年(nian)来，市(shi)面(mian)上(shang)出(chu)現(xian)了(le)多(duo)款(kuan)基(ji)於(yu)Micro LED和(he)光波导的(de)AR眼(yan)鏡(jing)，此(ci)類(lei)設(she)計(ji)可(ke)實(shi)现小(xiao)巧(qiao)、輕(qing)便(bian)的眼镜外(wai)觀(guan)，部(bu)分(fen)方(fang)案(an)已(yi)实现彩(cai)色(se)顯(xian)示(shi)。不(bu)過(guo)由(you)于光波导光效(xiao)問(wen)題(ti)，亮(liang)度(du)輸(shu)入(ru)數(shu)百(bai)萬(wan)尼(ni)特(te)，输出只(zhi)有(you)数千(qian)尼特。近期(qi)，AR/VR光學(xue)專(zhuan)家(jia)Karl Guttag結(jie)合(he)CES 2023上展示的Micro LED+光波导方案，詳(xiang)細(xi)分析(xi)了各(ge)種(zhong)不同(tong)设计的優(you)缺(que)點(dian)，以(yi)及(ji)此类方案面臨(lin)的挑战和趨(qu)勢(shi)。

據(ju)了解(jie)，大(da)部分中(zhong)端(duan)手(shou)機(ji)的亮度約(yue)達(da)500-700尼特，部分旗(qi)艦(jian)机的亮度可达到(dao)800甚(shen)至(zhi)1000尼特。相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)，壹(yi)些(xie)光波导AR眼镜為(wei)了能(neng)在(zai)戶(hu)外使(shi)用(yong)，亮度竟(jing)可达到数千尼特。光波导AR眼镜需(xu)要(yao)很(hen)高(gao)的输入亮度，除(chu)了在強(qiang)光下显示外，也(ye)是(shi)由于光瞳(tong)擴(kuo)展和光線(xian)損(sun)失(shi)，光波导的效率(lv)較(jiao)低(di)，只有一小部分光线進(jin)入人(ren)眼。假(jia)如(ru)光源(yuan)的亮度达数百万尼特，进入人眼的可能只有数千尼特。

为什(shen)麽(me)說(shuo)光波导光效低呢(ne)？通(tong)常(chang)，大多数LED幾(ji)乎(hu)都(dou)是朗(lang)伯(bo)光，而(er)光波导需要準(zhun)直(zhi)光。因(yin)此，一般(ban)會(hui)在Micro LED需配(pei)合小型(xing)光学器(qi)件(jian)（比如MLA微(wei)透(tou)镜陣(zhen)列(lie)）將(jiang)光线部分准直，同時(shi)提(ti)升(sheng)亮度。由于物(wu)理(li)特性(xing)“光展度”，光波导的入射(she)區(qu)面積(ji)嚴(yan)重(zhong)限(xian)制(zhi)了可输入的光，這(zhe)也被(bei)稱(cheng)为光展度损失。盡(jin)管(guan)光波导的入射小，但(dan)是光线会在光波导上分散(san)扩大，从而覆(fu)蓋(gai)FOV，此外扩瞳也会造(zao)成(cheng)光损。

多款AR眼镜采(cai)用JBD Micro LED+衍(yan)射波导

在CES 2023展台上，可以看到Vuzix、OPPO、TCL、Dispelix、WaveOptics等(deng)公(gong)司(si)都展示了基于JBD Micro LED和衍射光波导的AR原(yuan)型。除了衍射光波导外，還(hai)有瓏(long)璟(璟)光電(dian)的二(er)維(wei)扩瞳阵列波导，搭(da)配了一個(ge)三(san)屏(ping)全(quan)彩光机。而在Playntride展台上展示了Lumus阵列波导，这些公司選(xuan)擇(ze)的光学方案不同，除了与光效有關(guan)外，也受(shou)到成本(ben)等其(qi)他(ta)因素(su)推(tui)動(dong)。

在CES 2023期間(jian)，Guttag再(zai)次(ci)表(biao)示：Lumus阵列光波导相比衍射光波导的光效优势明(ming)显，一方面是耦(ou)入面积大3到9倍(bei)，另(ling)一方面半(ban)反(fan)射面损失的光比衍射光柵(zha)少(shao)。因此Lumus的光效比衍射光波导高5到10倍以上，在亮度和功(gong)率上表现更(geng)好(hao)。

在PlayNitride展示QD Micro LED+二维阵列光波导，以及QD Micro LED+一维阵列光波导的方案。PlayNitride的全彩QD-Micro LED僅(jin)能输出约15万尼特，因此需要更高效的光波导。

雖(sui)然(ran)Micro LED亮度比Micro OLED高数百到一千倍以上，但Micro LED可能还需要5年或(huo)更長(chang)才(cai)能达到与Micro OLED的色控(kong)和均(jun)勻(yun)水(shui)准。因此短(duan)期內(nei)，像(xiang)Birdbath、自(zi)由曲(qu)面、Pancake等更追(zhui)求(qiu)圖(tu)像質(zhi)量(liang)，而非(fei)提升亮度，且(qie)光效比光波导更高的方案，也将繼(ji)續(xu)使用Micro OLED或LCD光源。与此同时，Micro OLED的亮度也将提高，甚至有公司預(yu)计提升至30K尼特。

JBD方案AR眼镜

Guttag表示，JBD是他唯(wei)一知(zhi)道(dao)的已量產(chan)Micro LED的公司，很多AR眼镜在使用JBD 640x480分辨(bian)率單(dan)綠(lv)色屏，比如Vuzix（Ultralite、Shield）、OPPO和WaveOptics。此外，JBD也在開(kai)發(fa)像素深(shen)度更高、分辨率更高的方案。

目(mu)前(qian)，JBD的单绿色Micro LED色深为4bit，仅支(zhi)持(chi)16个亮度級(ji)別(bie)，其显示的輪(lun)廓(kuo)线会伴(ban)隨(sui)著(zhe)平(ping)滑(hua)的陰(yin)影(ying)区域(yu)，据悉(xi)正(zheng)在设计更大亮度级别的产品(pin)。

Guttag表示：在过去(qu)一年中，JBD的Micro LED已經(jing)是市面上最(zui)均匀的，其像素间亮度差(cha)異(yi)在不斷(duan)改(gai)善(shan)。尽管如此，表现也有一些问题，例(li)如在本應(ying)是实心(xin)的区域仍(reng)有明显的顆(ke)粒(li)感(gan)。

1）Vuzix

Vuzix Ultralite重38g，此前Vuzix光机几乎都是DLP方案，而Shield和Ultralite則(ze)采用了单绿色Micro LED光机。在展台上，Vuzix展示了单绿色Micro LED、RGB Micro LED和DLP光机之间的大小差别，单绿色方案要小得(de)多，不过DLP的优势是可显示真(zhen)色彩，它(ta)們(men)的分辨率差别不大。

Vuzix应用Micro LED光机後(hou)亮度可达4100尼特，可滿(man)足(zu)户外使用需求。功率方面，Micro LED耗(hao)电量大约与平均像素值(zhi)（APV）成正比，因此Ultralite功耗很小，一次充(chong)电正常可使用兩(liang)天(tian)。

2）OPPO

OPPO在CES 2023上展示了基于单绿色Micro LED（JBD）的AR眼镜，外观、图像质量、分辨率都与Vuzix Ultralite接(jie)近。

3）TCL

TCL展示了基于JBD的三色光机（3-Chip+X-Cube，结合珑璟光电波导）。Guttag表示：这款产品疑(yi)似(si)衍射光波导，但和我(wo)此前見(jian)过的有明显不同，出现了类似于阵列波导的條(tiao)紋(wen)，而且光栅“寬(kuan)度”要大得多。

4）歌(ge)爾(er)&JBD模(mo)組(zu)

歌尔展示了单绿和全彩X-Cube Micro LED光机。值得註(zhu)意(yi)的是，歌尔是多家大牌(pai)产品的代(dai)工(gong)廠(chang)，曾(zeng)服(fu)務(wu)于蘋(ping)果(guo)、微軟(ruan)、索(suo)尼、三星(xing)、聯(lian)想(xiang)等公司。

顏(yan)色可調(tiao)LED

去年，Porotech曾推出单紅(hong)色、单绿色、单藍(lan)色的InGaAs Micro LED方案，以及单像素全彩可调方案（DynamicPixelTuning，DPT），受到了很多关注。

下面是使用微距(ju)镜頭(tou)拍(pai)攝(she)的DPT演(yan)示效果，視(shi)頻(pin)中展示了整(zheng)塊(kuai)屏幕(mu)色彩變(bian)化(hua)过程(cheng)。

Ostendo几年前就(jiu)研(yan)发颜色可调的LED，此前其彩色堆(dui)疊(die)Micro LED比较出名(ming)，六(liu)年前开始(shi)研发覆盖全RGB色域的氮(dan)化鎵(jia)单片(pian)LED，並(bing)发表論(lun)文(wen)。不过，Ostendo方案似乎还停(ting)留(liu)在单色LED原型階(jie)段(duan)，还未进一步(bu)叠(die)代。

Innovation Semiconductor正在研发一种将控制晶(jing)體(ti)管电路(lu)与InGaAs背(bei)板(ban)集(ji)成的技(ji)術(shu)，特点是替(ti)代了更常见的混(hun)合InAs、CMOS方案。此外，也在开发一种颜色可调LED制造工藝(yi)，称为“V-grove”。Guttag表示：结合Innovation的论文来看，用V-grove工艺生(sheng)产颜色可调LED，可能比Porotech、Ostendo方案更有效。

對(dui)于Innovation在GaN中集成晶体管的方案，Guttag擔(dan)心它能否(fou)在控制成本、像素尺(chi)寸(cun)的同时，保(bao)證(zheng)集成控制电路的数量。

PlayNitride（蓝色LED，支持QD空(kong)间颜色轉(zhuan)換(huan)）

PlayNitride展示了全彩色Micro LED方案，該(gai)方案为单蓝色显示，但可通过量子(zi)点（QD）技术转换成红色和绿色。该方案亮度为15万尼特，比Micro OLED更亮，但比JBD、Porotech等原生RGB Micro LED要低得多（相當(dang)于十(shi)分之一）。

在CES 2023上，PlayNitride将Micro LED与Lumus光波导结合展示，尽管Lumus光波导光效高，但Micro LED的15万尼特亮度还是不夠(gou)实用，而且像素间距大。

PlayNitride展示的只是原型，但也是CES上唯一个高分辨率全彩色单片Micro LED（1Kx1K和1080p）。不过，其绿色和红色明显比蓝色显示更暗(an)，红色不够正，更接近洋(yang)红色（红蓝混色）。而且放(fang)大两倍来看，其像素存(cun)在色差、亮度差异和颗粒现象(xiang)。

QD空间颜色转换与微显示器

实際(ji)上，利(li)用QD颜色转换来将蓝色和UV LED转化为RGB LED的方案，已经提出多年。但在Micro LED这种微型显示器上使用QD工艺，存在一些特殊(shu)问题。比如，空间颜色方案的像素太(tai)大，不適(shi)合AR/VR，即(ji)使像素变小，转换色彩的QD層(ceng)依(yi)然具(ju)有厚(hou)度，此外它还需要某(mou)种微型“擋(dang)板”，来防(fang)止(zhi)相鄰(lin)的LED发出錯(cuo)誤(wu)颜色。

一些方案采用更薄(bo)的QD层，但需要依靠(kao)濾(lv)色器来“清(qing)理”颜色，降(jiang)低效率，还会产生熱(re)量。值得注意的是，QD材(cai)料(liao)需要足够耐(nai)用，才能不限制亮度。

MICLEDI的重组InGaS晶圓(yuan)

MICLEDI成立(li)于2019年，是比利时IMEC研究(jiu)所(suo)的衍生公司，也是一家無(wu)晶圆Micro LED厂商(shang)。工艺特点是，每(mei)个芯(xin)片具有单一颜色，支持空间颜色（颜色并排(pai)）和堆叠颜色方案。MICLEDI还开发了基于GaN和AlinGAP的红色工艺。

Guttag指(zhi)出，从CES 2023展示的方案来看，MICLEDI目前似乎沒(mei)有明確(que)的方向(xiang)，主(zhu)要是向其他厂商提供(gong)可授(shou)權(quan)的技术。尽管如此，MICLEDI的一大亮点是可使用100/150/200毫(hao)米(mi)Gan或AlinGAP晶圆，来制作(zuo)“重组”PNP晶圆。这些重组晶圆可通过现有的300毫米CMOS晶圆工艺来实现覆晶封(feng)裝(zhuang)。

现阶段，几乎所有的LED制造都是在小尺寸晶圆上进行(xing)的，比主流(liu)的CMOS工艺所使用的晶圆小得多。通常，在制造LED时会将有间隔(ge)的LED阵列放在更大的CMOS晶圆上，来实现小型GaN晶圆覆晶封装，丟(diu)棄(qi)了大部分多余(yu)的CMOS晶圆。

堆叠式(shi)Micro LED

MIT在CES 2023期间公布(bu)了堆叠式RGB Micro LED工艺，似乎与Ostendo的研究内容(rong)相似。

Ostendo也在研究类似的技术，并将多个小型Micro LED拼(pin)接，来扩大FOV。MICLEDI也曾开发LED并排排列式固(gu)定(ding)色彩方案。

堆叠色彩的优势是，可实现尺寸更小的RGB屏幕，缺点是上方的LED和电路会阻(zu)挡下方LED光线。因此，尽管堆叠式Micro LED可能比Micro OLED更亮，但没有其他Micro LED方案亮。更重要的是，现阶段红色LED是效率最低的颜色，但它卻(que)在堆叠方案的最底(di)层。

由于堆叠式LED的亮度中等，它可能更适合跟(gen)非光波导光学模组结合。

總(zong)结

Guttag認(ren)为，很多公司都在押(ya)注Micro LED，并将它视作AR/VR微显示技术的未来。不过在图像质量方面，现有的Micro LED技术还无法(fa)和Micro OLED、LCoS、DLP競(jing)爭(zheng)，而且在制造、技术上还有未解決(jue)的難(nan)题。

每种Micro LED制造工艺都有优缺点，还没有一种整体最佳(jia)的方案。如果将Micro LED用于AR眼镜，那(na)么它需要实现高亮度、低功耗、小尺寸、支持全彩显示和高分辨率。现阶段，基于合色棱(leng)镜、光波导等方案的单色显示屏还不足以成为长期的AR方案。

换句(ju)話(hua)说，尽管市面上已经有多种Micro LED demo，但誰(shui)能量产尚(shang)无定论，一些原型仅为一次性手板，尤(you)其是彩色Micro LED量产难度更高。

Guttag还指出，对于AR眼镜来講(jiang)，原生RGB LED比色彩转换的蓝色LED（如QD方案）更好。而至于单绿色AR眼镜，虽然外形(xing)时尚、尺寸小巧、也足够轻，但缺少合适的视力(li)矯(jiao)正机制，而且单色显示可能限制消(xiao)費(fei)者(zhe)興(xing)趣(qu)。另外一个持续存在的问题，就是哪(na)种光学模组最适合Micro LED，影響(xiang)这一问题的因素包(bao)括(kuo)LED光准直的程度。

Micro LED技术解析

1）Micro LED公司定義(yi)

成功的Micro LED公司不仅需要能制造LED，还需要设计完(wan)整的显示方案，并能控制成本。Micro LED公司有很多种类，包括无晶圆设计公司，以及能设计和制造LED的公司，以及设计CMOS控制背板，或是能将InGaS组装到CMOS背板上的LED公司。几乎每家公司组装Micro LED的流程或順(shun)序(xu)都不同。

比如JBD，就是利用Epi-layer工艺，在CMOS晶圆頂(ding)部外延(yan)LED，而有的其他公司，则是先(xian)在InGaN晶圆上形成LED，然后将完成的晶体管阵列鍵(jian)合到CMOS控制设備(bei)成品上。

现阶段，还没有通用的Micro LED工艺，更復(fu)雜(za)的是，大多数InGaN制造是基于150毫米-200毫米的晶圆完成的。

2）微显示器与直视像素尺寸

Micro LED技术可用于各种不同的显示设备中，比如壁(bi)掛(gua)式显示器、电视、微显示器、AR/VR等等。AR使用的Micro LED通常比智(zhi)能手机或手表的像素小300到600倍左(zuo)右(you)，基于光波导的AR所使用的Micro LED与VR使用的Micro LED像素尺寸接近。

VR显示方案本质上是一种直视显示设计，其使用光学透镜来聚(ju)焦(jiao)光，但却依賴(lai)降低像素尺寸来提升角(jiao)分辨率。AR和VR之间有一些共(gong)享(xiang)的显示元(yuan)件，比如部分大尺寸AR眼镜也会使用VR中常见的显示屏，而Pancake VR头显则采用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、电视、智能手机使用的显示技术也不同。尤其是AR采用的RGB Micro LED方案，与直视型显示器的方案有较大差异。比如，一些显示屏可通过蓝色、紫(zi)外线的量子点转换来扩大显示区域，但这不能很好地(di)满足AR对于小尺寸像素的需求。

3）多色、全彩色、真彩色

为了便于討(tao)论，Guttag为RGB显示方案提出了三个分类：多色、全彩色和真彩色，它们的定义如下：

多色（JBD）：包括RGB等多种可識(shi)别的颜色，适用于显示基本信(xin)息(xi)和颜色編(bian)碼(ma)，缺点是色控和色彩飽(bao)和度不够好，显示照(zhao)片的效果更像卡(ka)通，而且平滑阴影看起(qi)来有明显的轮廓线；

全彩色（PlayNitride）：支持廣(guang)泛(fan)的色域，显示光滑表面没有明显轮廓，但在显示人物照片时色控能力不足；

真彩色：支持相当准确的色控，可显示純(chun)白(bai)色和纯黑(hei)色，面部和膚(fu)色显示效果不错，表面轮廓不明显。

Guttag指出，人眼对于肤色非常敏(min)感，但在判(pan)断卡通颜色正确方面能力较弱(ruo)，因此在看动畫(hua)片时很难区分分辨率。一些AR原型由于校(xiao)准过程未完成，所以常用卡通图像来展示色彩，而很少展示真人图像，因为显示真人需要精(jing)准的色控能力。除此之外，一些AR眼镜在显示靜(jing)止照片时，会比显示动態(tai)视频/图像更容易(yi)看出问题。

目前，大多数Micro LED屏幕都在追求多色显示，而距離(li)真彩色还有较遠(yuan)的距离。好在，现阶段大多数AR应用只需要多色显示方案。另外，Guttag表示：迄(qi)今(jin)为止，我了解过的每款Micro LED都存在明显的像素间差异，如果无法准确控制演示額(e)，那么使用再多的校正或mura校正也很难清晰(xi)显示照片。參(can)考(kao)：Karl Guttag返(fan)回(hui)搜(sou)狐(hu)，查(zha)看更多

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