以下是 Joya Team 联合创始人 Assaf Levy-Beeri 撰写的一篇特邀文章 微显示器应用广泛。微显示器于90年代首次进入市场，用于背投电视(RPTVs)、投影机、数码相机取景器和头盔显示系统(HMDs)的图像源。 今天，随着人们对可穿戴产品需求的不断增加，可穿戴产品的潜在市场非常大，微显示器市场有望大幅增长。增强现实（AR）、智能眼镜、头盔显示器、虚拟现实（AR）系统和抬头显示（HUDs）系统是应用高分辨率微显示器的主要领域。相应地，微显示器的技术水平也在不断提高。为了提高其技术和产品性能，微显示器制造商投入了大量资金。此外，新技术层出，更多的制造商正不断加入这一领域。 2018年微显示器市场规模估值10亿美元左右，预计到2024年这将增长到35亿美元，复合年增长率约为25% 。HMDs 在军事(航空电子、模拟器、战场作战)、医疗、汽车、消费电子和娱乐等各个领域的应用越来越广泛，这将推动微显示器市场未来的增长。 微显示技术 微显示器的基本定义是超小型的显示器(对角线小于1英寸)。在大多数情况下，微显示器的分辨率很高，像素大小通常为8到15微米。因此，微型显示器通常需要放大光学系统放大成像，经常用在AR和HUD上。微显示器主要有三种类型:
图1: 微型显示器类型 ·透射型: 光线透过微显示器。图像是由光、液晶和彩色滤光片相互作用形成的。大多数情况下，透射式微显示器是一块 LCD 面板，其中每个像素都用以控制光的偏振。 ·反射型: 光线从微型显示器反射。图像是像素对光线的调制和反射形成的。反射式微显示器有像 LCoS类型利用液晶和偏振光的，也有像 DLP 类型使用可控的微镜来反射光的，其中每个微镜代表一个像素且以此来产生图像 ·自发光型: 由于电流或电压的作用，从每个像素发射光线。图像由每个像素在不同亮度和颜色下发光形成。自发光型微显示器有 OLED、Micro-LED 和 CRT. 下面将简要概述市场上主要的微显示技术，重点在于全彩色微显示器而不是单色显示器。 液晶显示器(LCD)LCD面板的基本结构是液晶层（LC），其位于两个透明电极和两片正交偏振片之间。大多数LCD微显示器为扭曲向列型。在 TN 型LC中，液晶分子在基板上排列，当光通过时，液晶分子产生相位延迟，导致偏振旋转90°。这种类型的LCD也被称为常开式，即未施加电压时，LCD将呈现一个全白图像（激活状态）。 在“激活状态”（没有电压施加到液晶上） 时，进入面板的光通过一个偏振器，变成线偏振光，然后与液晶分子相互作用，导致液晶分子偏振旋转90°。然后，光线通过第二个偏振器（检偏器） ，它垂直于入射偏振器。在“关闭状态”时 ，当电极之间施加电压产生电场时，液晶分子的排列使得光的极化不受影响。入射光通过线性偏振器，然后通过液晶并且不会受偏振器影响，最终通过垂直偏振器，光被吸收。以上过程之后最终没有光线通过液晶显示器被传输。 LCD 的这两种状态分别会产生一个全白和一个全黑的图像。当施加一个中等电压(电场)，并通过调整光偏振器的延迟效应——使得检偏器吸收部分光，可以产生灰阶。 图二: 液晶显示器的工作原理 如上所述，LCD 是一个光调制器，它需要一个光源或背光才能显示图像。考虑到 LCD 的特殊性能，这种背光应该与光学系统同步设计。一个好的背光设计，需要考虑到系统要求和 LCD 的限制，如偏振、色彩空间、最大亮度限制、 LC 温度敏感度、可视角度、 LCD 传输和消光比、系统的有限尺寸等，这样才能让 LCD 面板系统性能最佳，并且节省能源。 硅基液晶(LCoS)LCoS 是一种基于液晶的反射型显示器。CMOS 背板控制施加在反射电极上的 LC 的电压。与透射式LCD一样，LCoS 面板中的 LC 排列也控制投射光的偏振态。所以LCoS 也是一种光调制器，它使用偏振器且需要一个光源来投影图像。下图是一个典型的 LCoS 投影单元。
图3: LCoS 投影单元方案 RGB 背光通过偏振器投射非偏振光。由此产生的线偏振光（s偏振光）从偏振分束器（PBS）反射到 LCoS 面板（PBS 使入射光的 s偏振光反射，p偏振光透射）。然后s偏振光入射到 LCoS 面板上。 在“关闭状态”时，液晶对极化取向没有影响。线性s偏振光是从LCoS 面板反射回来的，PBS 把它反射回背光，所以没有光线从投影单元出来。 在“激活状态”时，液晶具有类似于四分之一波片的延迟效应。将线性s偏振光转化为右圆偏振光。然后它被 LCoS 反射电极反射，变成左圆偏振光。另一个通过液晶改变偏振态，从右圆偏振光到线偏振光，90°入射偏振（p偏振光）。然后通过 PBS 和第二偏振器（检偏器）以适当的方向传输p偏振光和一个全白图像。
图4: LCoS 面板偏振原理 LCoS 的这两种状态分别产生一个黑色图像和一个白色图像。当施加一个中等电压(电场)时，并通过调整光偏振器的延迟效应——使得检偏器吸收部分光，可以产生灰阶。 LCoS另一种在产生灰阶的方法是在调整开关状态的占空比，来回切换开关。这只能在非常高的帧速率下才能做到，例如铁电 LC 。在增强现实系统中，全彩图像通过 RGB 背光源的同步(可由LEDs 或激光二极管组成)与 LCoS 面板上的图像配合产生。 数字光处理(DLP)DLP 是德州仪器公司开发的一种显示设备。其主要器件DMD是一个微镜阵列，每个微镜代表所显示图像的一个像素。每个微镜可以靠静电原理倾斜到两个位置: + 12°和-12°。(在先进的架构倾斜角度也可以达到 ± 17°，这使得投影机的功率效率更高)。 DLP 投影系统也需要RGB 光源，用来生成全彩色图像。微镜倾斜到+12°，像素被激活；反射镜倾斜到-12°，光被反射到吸收区，像素关闭。灰度通过倾斜不同占空比的微镜来实现，颜色通过同步RGB 光源和微镜的色序产生。
一些 AR 产品或样机使用 DLP 作为图像源。然而，这样的设计富有挑战性，因为这需要特别注意与系统的集光率相关的问题。因此，设计时需要在关键参数之间仔细权衡，如视场和出瞳大小，以及系统的效率、亮度、对比度和尺寸。 有机发光二极管(OLED)OLED微显示器是一种固态发射电致发光装置，它由一个有机层组成，这个有机层被放置在两个电极之间，由于电流的作用而发光。下图展示了 OLED 的基本结构。
图6: OLED 结构 当通过有机层施加电压时，透明阳极(通常是 ITO 层)相对于阴极保持正电。电流经过有机层，从阴极经过导电层(ETL)到发射层。这个电子被发射层捕获，从而导致阳极从导电层或空穴传输层(HTL)中吸收电子，这种现象在导电层中以空穴流动的形式出现。 静电驱动电子和空穴相互靠近，它们重新结合(靠近发射层)形成激子。这种激发态的弛豫导致电子下降到较低能级，多余能量以光的形式发射，其频率取决于发射材料的带隙。 OLED 微显示器用于AR系统有许多优点。它不需要背光，这使得光学系统集成度很高。OLED 的另一个优点是它具有极佳的图像质量，与 LCD 或 LCos (例如每瓦特流明)相比，它的效率很高，并且具有超高的 CR 和很广的色彩空间。但是，OLED 亮度和寿命有限。因此OLED应用不多，特别是在需要彩色图像和长寿命的户外应用时，它要求非常高的亮度级。 MicroLEDMicroLED是一种新兴的显示技术，它具有取代其他微显示技术的巨大潜力，并成为 AR 和 HMD 系统图像源的主导技术。 基于microLED技术的微显示器旨在提供 OLED 微显示器的所有优点: 系统设计和集成简单、 CR超高、色彩空间宽、功耗低、形状因子小，并具有OLED不具备的超高亮度和宽色域。 MicroLED显示器基于标准氮化镓晶圆，采用标准LED工序。这种方法有可能以相对较低的价格提供高亮度的显示器件，而且不存在寿命问题。 一般来说，标准的氮化镓晶片被模式化成microLED 阵列。然后通过集成microLED 阵列和晶体管来制造microLED 显示器。在过去的几年里，一些公司和研究机构开发了以下几种方法: · 拾取和放置: 在这种方法中，microLED 单元从晶圆转移到晶体管背板。为了生产高分辨率的显示器，需要转移几百万个发光二极管，其精度约为1微米。这种方法在商业上和技术上都是不可行的，因为要求的精度太高了，要传输数百万个这种精度的 LED需要很长时间，而且产量可能很低。中大面积显示器制造商正在研究这些问题，并开发新的方法，使成本效益降低且能批量生产。 ·倒装芯片安装: 在这种方法中，microLED阵列和 CMOS 晶体管是分别制造的。然后，两个晶圆片组装并连接在一起。这种方法的优点是改善散热和光萃取现象。采用这种方法还提高了microLED和CMOS的对准精度，并制作出了10微米尺寸像素的高分辨率原型。但这个精度仍不够，因为要生产彩色微显示器需要使像素大小达到3-5微米。所以这种方法只适于生产单色显示器，而不适用于全彩显示器。 ·单片集成microLED阵列上晶体管: microLED显示器的单片结构正成为引领基于microLED的微显示器发展最有前景的方法。生产过程直接在氮化镓晶圆上，通过在每个微发光二极管像素上制造薄膜晶圆来完成。这种方法不涉及转移。单片方法是使用标准的 CMOS 制造工艺，并可扩展到标准的200毫米晶圆片。它使得像素尺寸更小显示器分辨率更高，发展潜力很大。 MicroLED微显示器仍在发展。有几家公司正在探索和开发这项技术。2018年和2019年已有一些样品被展示，第一批产品有望在2020-2021年上市。不过，现阶段仍有一些技术问题需要解决 · 缩小像素尺寸: 需使像素尺寸在3-5微米 · 成色: 基于单色 LED 晶片的全彩microLED开发 ·空间均匀性：基于芯片色彩和亮度变化的microLED 显示器的空间均匀性 ·可持续产品的集成(新产品经验不足) : 像任何其他新技术一样，当前将这种技术集成到产品的显示层和系统层的经验不多。根据我们的经验，新型显示技术需要多年时间才会成熟，制造商才能克服挑战。预计microLED技术的集成将会成为问题。 综上所述，基于microLED的微显示器能够解决AR系统的一些主要问题和瓶颈，然而，它可能需要花费大量的时间和精力，使其使用寿命较长价格合适且性能优越，最终才能取代目前的微显示技术并用于AR系统中。 概述: 微显示技术在AR系统中的应用用于增强现实系统的微显示器的选择将对系统整体性能有重大影响。它决定了系统参数，如透明对比度(显示亮度) ，窗帘效应(显示对比度) ，均匀性，颜色空间，出瞳大小和系统分辨率。微型显示器对系统尺寸、重量和成本也有显著影响。 因此，了解各种微显示技术之间的差异并考虑每种技术的优缺点是非常重要的。优化选择微显示器，将最佳显示系统与其替代品区分开来，使体积和成本降低并能提供卓越的性能。在AR或HUD系统的开发过程中，开发人员有时会先设计光学成像系统，然后再从现有技术中选择微型显示器类型。某些情况下，这样设计可以进行。但大多数情况下，这样设计的系统并不好，它不满足要求也不受客户喜欢。 在 JOYA 团队中，我们认为从需求的集成到产品，图像源是系统设计的一部分。我们相信只有考虑到系统工程、光学设计、非成像设计、人因工程、硬件、机械工程、散热、使用寿命、材料等各个因素，才能设计生产出最佳的显示系统。 参考资料https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/microdisplay.asp http://www.ti.com/dlp-chip/getting-started.html http://www.plesseysemiconductors.com/wp-content/uploads/Plessey-MicroLEDs-White-Paper-1.pdf |
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