FBEC2023 | 视涯科技联合创始人刘波：AR显示屏技术挑战及高性能硅基OLED器件

来源：网络时间：2023-12-13 16:58 作者：hj 访问量：744 我要投稿

　 FBEC2023未来商业生态链接大会暨第八届金陀螺奖于2023年12月8日在深圳福田大中华喜来登酒店6楼盛大召开，本次大会由广东省游戏产业协会、深圳市互联网文化市场协会指导，陀螺科技主办，中国光谷、游戏陀螺、VR陀螺、陀螺财经、陀螺电竞联合主办。

　　大会以“合力共生·韧者行远”为大会主题，以具有行业前瞻洞察的“航行者”为视角，破冰之旅为主线，关注AI、元宇宙、XR、游戏、电竞、数字经济等科技与互联网前沿领域，全方位呈现科技前沿成果，聚焦时代与商业热点议题，探讨新科技、新商业、新模式的未来价值，与真正的勇者共赴剧变革新下的凛冬破冰之旅!

　　主会场C：元生未来，共链价值——2023全球元宇宙产业核心技术论坛，邀请到视涯科技联合创始人刘波带来主题为“AR显示屏技术挑战及高性能硅基OLED器件”的精彩演讲。刘波认为，对于XR设备来说，最为重要的评判因素首先是“清晰度”。定义“清晰”只有PPD是不够的，还有亮度、颜色这两项关键。

　　以下为演讲实录：

　　大家好，我是来自视涯科技的刘波。视涯科技主要做硅基OLED器件，这也是我们权衡VR/AR产业的各方面后作出的技术路线选择。

　　人类获取信息的渠道有70-80%来自视觉，而获取的信息则主要来自两方面：一是可以直接看到的真实物理世界，二是由计算机生成的信息世界。之前这两个世界是割裂的，没有实现融合。但随着万物互联时代的到来，现有IoT设备数据已经可以做到互联互通，真实世界的信息和计算机图像的信息将会完美融合，这就是我们说的Augmented Reality，增强现实。这些变化也对显示技术提出了新的需求。

　　选择头戴设备的主要因素

　　增强现实有多种载体，包括头戴显示、手机、大屏等。但我们认为头戴显示(HMD)会是AR显示最重要的载体之一，能够承载随时随地的“大屏需求”，也可以随时随地展开虚实融合。目前HMD主要分两大类，一类是VST，另一类是OST。VST里有很多种光学方案，比如Pancake方案、多透镜、菲涅尔透镜;而OST则要有意思得多，光的方案会更复杂，有不同的表现形式，比如有空气传播或者全反射传播，放大面有曲面的，也有平面的，衍射里面既有几何光学，也有衍射光学。

　　多样的光学方式加上多种不同的方案，会对头戴显示提出怎样的要求呢?美国曾做过一个基于Q-Star的市场调研，统计结果称，有50%的人认为对于好的头戴显示设备，最为重要的评判因素首先是清晰度 —— 画质是最重要的，如果不够清晰，所有的参数都没有意义;其次是佩戴的舒适性，要保证是可以长期使用的设备，比如连续2个小时的佩戴而没有不适感。对显示和光学来说，如何实现图像高清、舒适佩戴，都是很大的挑战。

　　那什么是图像清晰?我们怎么定义清晰?我们平时看到定义清晰用的参数比较多的是PPD，PPD大于40就能满足大部分人的需求，这也是成本和性能很好的平衡结果。但只用PPD是不是就能完全定义“清晰”?其实是不够的。

　　除了PPD，还有亮度。要想看清楚一个东西，亮度很重要。对于亮度来说，无论是VST还是OST都不一样。VST的入眼亮度大于100 cd/m2比较合理。因为肉眼有两种光，一种是显示内容的光，另一种是环境光，这样才能看清楚外界的图像。

　　除了亮度，还有一个对清晰度影响比较大的因素，就是颜色。无论是VST还是OST，都要求显示屏要能准确还原物理世界里面的所有信息容量，这对颜色就提出了非常高的要求。颜色有两个指标需要定义，一是色域，二是FoV内色差要小于2JNCD。

　　PPD与FoV有一定的关系，目前市面上的VR的视场角都可以做到100的FoV，FoV越大是不是就越好?不完全是。人眼要看清楚一个物体，放松状态是15°范围内，像办公、看桌面显示器、手机等都是在这个范围内;当我们要转动眼球的时候，能够看到的是±35°左右，这时候不需要转头只转动眼球就能够看得清这个范围内所有的信息。人眼真正感受立体感的是±60°左右，大概在120°范围内，人的双目是融合的、有立体信息的;120°以外，只有沉浸感，没有3D信息，因为左右视差无法融合。

　　基于此，现阶段技术情况下XR要落地，FoV和应用场景息息相关，而FoV和PPD又决定着我们最后应该做什么分辨率的显示屏。比如对于游戏来说，需要强烈沉浸感，FoV需要达到100°;对于观影，60°左右的FoV是相对合理的;办公就是30-40°。

　　硅基OLED用半导体的工艺来做屏幕，一个Shot只有26mm×33mm，这对像素的尺寸带来了巨大的挑战。普通手机的PPI在400多，但头显的PPI要做到4000甚至更高，所以挑战很大。

　　前面提到亮度影响清晰度，对VST来说，入眼亮度大概需要100nits左右;对OST来说，则需要1.2倍的环境光的亮度。从人类进化到现在，人眼一直是看自然界的反射光，有一个适应的范围，亮度也不是越高越好。比如在夜晚没有月亮只有星光的情况下，亮度非常低，人眼看不清东西;但白天人眼舒适的亮度不能超过3000nits，如果超过就有刺眼的感觉，就需要戴墨镜，要不然会对眼睛产生伤害。

　　基于此，对封闭式的场景如影院，人因测试后得出的最低亮度标准是50nits，稍有点暗，在这种完全封闭的环境下，人眼比较舒适的亮度是70nits。从70nits到200nits，随着亮度上升，人眼的舒适感不断升高。但超过200nits以后，人的舒适性就下降，超过250nits以后就有刺眼的感觉。

　　所以，对VR形态的VST来说，入眼亮度不需要很高。对OST来说则受环境光限制，环境光越强，入眼应该越亮，但又因为人眼本身对亮度有一定的承受能力，如果超过3000nits就有不适感，所以要结合环境光和人眼本身的特性来定义亮度，才比较合理。

　　VST一般用Pancake比较多，利用率只有8-11%;用得比较多的是Birdbath方案，约15%的光效。

　　传统的扫描方式，扫一行显示一行，图像如果更新很慢还没问题;当刷新率高、图像更新很快，就会出现图像割裂的情况。在扫描的时候，我们是不显示的，扫描结束以后才显示，这样让人每次看到都是完整的图像，但很大部分时间不显示图像，亮度也会有折损。

　　那我们中间扫描、显示各用多少时间是比较合理呢?有一个公式，一般用MPRT来定义动态图像响应时间，它取决于几个因素，一是屏本身的响应时间，二是刷新率。

　　按照这个关系来看，对OLED来说，响应时间非常快，可忽略不计，但刷新率是受限的。对于90Hz的屏来说，MPRT要做到2ms，不能超过这个时间，如果超过这个时间，意味着有80%的光会被损失掉。所以，如果做到100亮度的显示屏，在VST形式下，用Pancake的光学，那屏幕亮度就需要6000以上，才能做到很好的VR显示效果。所以并不意味着VR是封闭型显示，亮度就可以放得很低。

　　而对OST来说，它的亮度还和外景的穿透率有一定的关系。环境光亮度平均是1000nits时，相当于在商场的亮度，显示屏做到4000nits就可以。如果到户外，我们最大的环境光是100,000nits甚至更多，但因为亮度太高，对眼睛有伤害，所以入眼亮度最多2000nits。如果用几何光学，光效可做到15%，那可推算出显示屏大概需要10,000nits多一点，就能够满足绝大部分场景下OST对亮度的需求。

　　颜色也会影响清晰，而颜色方面的技术挑战是Crosstalk会对色域产生影响，尤其是低灰阶的亮度和颜色会有比较大的影响。

　　这张图展示了硅基OLED的基本结构，用硅的背板做OLED的发光层。现在普遍可量产的是白光+Cover glass的方式，产生的白光通过CF产生了彩色，这种方式的工艺也比较简单，和Micro LED有一些相似，都是硅的背板，前面都是用半导体的制程，后端是平板显示的制程，所以它是一个半导体显示，即，基于半导体和平板显示相结合的显示方式。在这个基本架构下，现在硅基OLED还有其他几种主流结构。

　　硅基OLED演变的4种技术路线

　　一种是Tandem，它是一层发光，上面是阳极，下面是阴极，它就是简单的串联，串得越多效率越高，亮度可以越亮，但是带来的挑战是电压要求越高。

　　第二种是Microcavity，它其实是在两个电极里面产生谐振，通过振荡以后使它的组分产生漂移，原先出的是白光，但是通过振荡以后，会偏红、偏绿、偏蓝，就会产生彩色，不需要CF也可以产生彩色，这个时候通过CF进行过滤，色域就有大幅度的提升。

　　第三种是Microlens，在每一个像素上加一个透镜，MicroLED的好处是可以提高光取出，让光的出光率更高，同时通过LENS的设计，可以很好的调节整个光的出光方向，和光学设计做很好的匹配。

　　第四是像素驱动，OLED本身发光亮度和电流有关系，因为OLED本身的电流密度非常小，所以控制电流非常难。市面上现在有很多的显示器是控制电压，但是随着时间的推移，有机材料的电阻率会发生变化，电压和电流的关系也发生变化，对寿命有极大的影响。

　　视涯科技从2016年开始到现在，做了很多的研发工作，也积累了相关的技术。包括比较完整的仿真技术，具备量产的Tandem架构，还有Microcavity设计与制作，及Microlens设计，我们也开始采用电流驱动，通过自己去开发、定制CMOS器件，实现电流驱动的量产。

　　我们产品的规格从小到0.32寸大到1.3寸，可以覆盖VR形态的VST、OST等各种应用。而其中一个单品出货量已经超过了1KK。今年重点推出的两款产品：一个是0.6寸的显示屏，一个是1.3寸的4K显示屏。在0.6寸显示屏上，基本上可以做到整个背板用80nm的制程，彩色的亮度可以做到6000，刷新率动态可调，从30到120Hz根据使用场景可以动态变化刷新率，可以实现100%DCI-P3的色域，采用了极低功耗的MIPI接口，同时结合电流驱动，对寿命有极大的提升。预计12月底可以送样。这就是我们在合肥的工厂(指向工厂实拍图)。

　　目前，我们还在新建更多的产能和需求，欢迎业内朋友继续关注视涯科技，与我们在微显示技术趋势话题上有更多的交流，谢谢!

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