AR、VR等近眼显示芯片的手艺路径和生长趋势？工地照明灯架

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AMOled材料市场或将于2026年达到29亿美元规模

AR、VR等近眼显示芯片的手艺路径和生长趋势

2022-07-11    

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　　最近，一则关于苹果将于2023年1月公布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物的关注度。2022年全球AR、VR等头戴式装备的出货量约莫在1100万台，其中AR与VR的占比划分为1：9。然则，凭证市场调研机构和头部企业的展望，未来这一占比会转换成9：1。 也就是说，最终AR、MR、XR等虚拟内容与现实天下融合的产物销量要比全封锁、陶醉式的VR大许多。

　　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、手机之后一样平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努力备战近眼显示市场。预计到2030年，AR、VR、MR、XR的年销售量将到达今天智能手机的规模，相关近眼显示芯片的年出货量可能到达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契构的投资。

　　事实上，我们至今仍未能在市面上看到一款令人完全知足的近眼显示芯片。未来谁能成为近眼显示芯片的赢家，现在尚有很大的不确定性。近眼显示手艺还在不停演进当中，许多手艺难点尚有待突破，那么哪一种手艺路径最终有可能胜出，下面我们给出一些粗浅的剖析。

　　一、近眼显示手艺的演进：从LCOS到W OLED

　　早期的头戴式装备中，大部门接纳的是类似LCD显示屏的LCOS的显示手艺。这一手艺路径的优点是产物十分成熟，最主要的瑕玷是功耗大，每个LCOS屏的功耗在1瓦左右，而且散热无法做到十分平均，导致终端装备尺寸一定很大，固然尚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，以是基本上处于被镌汰的状态。

基于LCOS的头戴式显示终端

　　从2022年最先，基于白光加彩膜的OLED微显示芯片(以下简称为W OLED)最先大量被主流的终端装备厂商接纳，主要的供应商索尼俨然成为行业的主导者。2022年索尼W OLED微显示芯片的销售规模靠近8亿美金，市场占比远超LCOS和其它手艺路径的芯片，据领会苹果即将推出的MR眼镜选定的也是索尼的W OLED芯片。

　　现在索尼的W OLED手艺成熟，结构简朴，功耗只有110毫瓦左右，亮度可以到达3000尼特。与LCOS相比，优势十明晰显，基本上知足了VR的亮度和功耗需求。随着市场对于近眼显示产物的看好，京东方、视涯等纷纷最先投资建厂，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

　　然则，现有的W OLED微显示芯片仍然没有到达整机厂商完全知足的水平,稀奇是不知足AR、MR应用对亮度的要求。首先，白光加彩膜折射出RGB三色的手艺路径会导致发光明度损失2/3。通常MR的亮度需求在5000尼特左右，AR由于需要思量室外使用的场景，亮度要求在8000-1万尼特。现在索尼的亮度指标只能做到3000尼特，而海内其他厂商亮度指标更低。

　　在这种情形下，AR眼镜需要设置遮阳板，导致了现实天下的目的看不清晰，影响了用户体验。另外一个缺陷就是，寿命和稳固性不够。例如，在峰值亮度情形下，一样平常硅基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的事情原理

　　二、Micro LED的逆境：短期无法解决巨量转移、色彩密度等问题

　　与全球大部门终端厂家转向W OLED相比，海内有少数AR开发商最先接纳基于特殊发光衬底质料的Micro LED微显示芯片，甚至有Micro LED供应商称之为AR的最终解决方案。Micro LED简直可以解决AR眼镜中现有W OLED亮度不够高和寿命不够长的问题，譬喻说，海内有的Micro LED芯片企业甚至可以将发光明度做到杀伤性武器级其余300万尼特的水准。

2022金手指奖考察团走进华士照明

　　然则，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全彩色发光历程中，加大了功消耗失。若是要实现Micro LED的RGB三色自力发光，在高密度的情形下，短时间内无法解决巨量转移的问题(装备和工艺挑战的难度太大)。

　　在现在手艺条件下，8000-1万尼特的Micro LED微显示芯片(单色夹杂成彩色)的功耗至少在600毫瓦以上，像素密度只能到达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，未来甚至要求到达1万PPI以上，才气实现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手艺相比，Micro LED要到达被主流头戴装备终端厂商接受的水平，尚有很漫长的蹊径要走。

将巨量的LED芯片无误差地放到电路矩阵中短时间还无法实现

　　三、新一代显示手艺：接纳半导体光刻手艺的OLED

　　2022年5月，日本显示(Japan Display，简称JDI)公布了基于半导体光刻的全新OLED手艺路径eLEAP，并称之为“显示手艺的历史性突破” 。与索尼接纳的白光加彩膜的W OLED相比，eLEAP手艺生产的OLED显示器的启齿率(透光区域与所有区域的比例)可以到达60%，而现有的W OLED产物的启齿率约为28%。

　　这意味着可以在较低电流下驱动OLED显示器，从而延伸其使用寿命、提高效率并在需要时实现更高的峰值亮度。事实上，该手艺路径(Photolithography, 以下简称为P OLED)最初由欧洲的IMEC研究院提出，并于2022年就果然公布了相关研究讲述。

JDI公布的W OLED的启齿率与P OLED启齿率的对照

　　不光是日本显示(JDI)，韩国三星和海内的元禾(广州)半导体等企业都在沿着IMEC提出的这一手艺路径开发相关产物。这一手艺的特点是将半导体光刻工艺制程用于显示芯片生产历程中，将OLED发光质料刻制到CMOS基板上。由于P OLED是RGB直接自力发光，以是亮度大幅提升，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，发光明度可以到达1万尼特以上，而功耗在50毫瓦左右。

　　最要害的是，提升P OLED发光体的密度对半导体光刻手艺而言完全不是问题，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，像素密度可以到达1万PPI以上(现在手机的显示屏的密度只有600PPI)。也就是说基于半导体光刻手艺的P OLED微显示芯片可以实现4K-8K、甚至更高的分辨率。有用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、价钱昂贵等痛点。

　　很显然，犹如JDI指出的，这种半导体光刻P OLED手艺与传统的LCOS、白光加彩膜的W OLED和Micro LED相比是新一代的显示手艺。由于中国公司很早介入了IMEC的手艺路径研究，以是这一手艺中国和外洋着名企业处于统一起跑线上，甚至有可能规模化量产的速率要比外洋更快。

　　四、透明直显：未来的AR、VR近眼显示手艺的主赛道

　　现在，无论是Micro LED、W OLED照样P OLED都接纳了硅基，以是成本依然很高，而且不能能做到透明。在AR应用中，显示芯片放置于边框上时一定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，纵然是12英寸的晶圆，最终切割出来的芯片数目也有限，以是无法战胜硅基带来的昂贵成本的瓶颈。

硅基显示屏一定导致AR眼镜的视线遮挡

　　任何手艺都市被逾越，各领风骚数载而已，不存在一种”最终解决方案“。纵然是JDI等推出的最新一代的P OLED也有延续改善的地方。譬喻说，将现有的OLED质料改良成透明的发光质料，将CMOS基板换成透明的玻璃基板(这一手艺称之为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历程中。

　　若是接纳基于透明的发光质料和透明基板的T OLED手艺，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。譬喻说，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。

　　据领会，鸿海团体、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历程当中。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，到底是苹果照样华为或者其他厂商最先推出这种推翻性的“爆款“，我们拭目以待!

未来透明直显AR眼镜的示意图

差异手艺路径的手艺参数对比

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