FBEC2023 | 視涯科技 聯(lián)合創(chuàng)始人劉波：AR顯示屏技術(shù)挑戰(zhàn)及高性能硅基OLED器件

FBEC2023未來商業(yè)生態(tài)鏈接大會暨第八屆金陀螺獎于2023年12月8日在深圳福田大中華喜來登酒店6樓盛大召開，本次大會由廣東省游戲產(chǎn)業(yè)協(xié)會、深圳市互聯(lián)網(wǎng)文化市場協(xié)會指導(dǎo)，陀螺科技主辦，中國光谷、游戲陀螺、VR陀螺、陀螺財經(jīng)、陀螺電競聯(lián)合主辦。

大會以“合力共生·韌者行遠”為大會主題，以具有行業(yè)前瞻洞察的“航行者”為視角，破冰之旅為主線，關(guān)注AI、元宇宙、XR、游戲、電競、數(shù)字經(jīng)濟等科技與互聯(lián)網(wǎng)前沿領(lǐng)域，全方位呈現(xiàn)科技前沿成果，聚焦時代與商業(yè)熱點議題，探討新科技、新商業(yè)、新模式的未來價值，與真正的勇者共赴劇變革新下的凜冬破冰之旅！

主會場C：元生未來，共鏈價值——2023全球元宇宙產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)論壇，邀請到 視涯科技 聯(lián)合創(chuàng)始人劉波帶來主題為“AR顯示屏技術(shù)挑戰(zhàn)及高性能硅基OLED器件”的精彩演講。劉波認為，對于XR設(shè)備來說，最為重要的評判因素首先是“清晰度”。定義“清晰”只有PPD是不夠的，還有亮度、顏色這兩項關(guān)鍵。

以下為演講實錄：

大家好，我是來自視涯科技的劉波。視涯科技主要做硅基OLED器件，這也是我們權(quán)衡VR/AR產(chǎn)業(yè)的各方面后作出的技術(shù)路線選擇。

人類獲取信息的渠道有70-80%來自視覺，而獲取的信息則主要來自兩方面：一是可以直接看到的真實物理世界，二是由計算機生成的信息世界。之前這兩個世界是割裂的，沒有實現(xiàn)融合。但隨著萬物互聯(lián)時代的到來，現(xiàn)有IoT設(shè)備數(shù)據(jù)已經(jīng)可以做到互聯(lián)互通，真實世界的信息和計算機圖像的信息將會完美融合，這就是我們說的Augmented Reality，增強現(xiàn)實。這些變化也對顯示技術(shù)提出了新的需求。

選擇頭戴設(shè)備的主要因素

增強現(xiàn)實有多種載體，包括頭戴顯示、手機、大屏等。但我們認為頭戴顯示（HMD）會是AR顯示最重要的載體之一，能夠承載隨時隨地的“大屏需求”，也可以隨時隨地展開虛實融合。目前HMD主要分兩大類，一類是VST，另一類是OST。VST里有很多種光學(xué)方案，比如Pancake方案、多透鏡、菲涅爾透鏡；而OST則要有意思得多，光的方案會更復(fù)雜，有不同的表現(xiàn)形式，比如有空氣傳播或者全反射傳播，放大面有曲面的，也有平面的，衍射里面既有幾何光學(xué)，也有衍射光學(xué)。

多樣的光學(xué)方式加上多種不同的方案，會對頭戴顯示提出怎樣的要求呢？美國曾做過一個基于Q-Star的市場調(diào)研，統(tǒng)計結(jié)果稱，有50%的人認為對于好的頭戴顯示設(shè)備，最為重要的評判因素首先是清晰度 —— 畫質(zhì)是最重要的，如果不夠清晰，所有的參數(shù)都沒有意義；其次是佩戴的舒適性，要保證是可以長期使用的設(shè)備，比如連續(xù)2個小時的佩戴而沒有不適感。對顯示和光學(xué)來說，如何實現(xiàn)圖像高清、舒適佩戴，都是很大的挑戰(zhàn)。

那什么是圖像清晰？我們怎么定義清晰？我們平時看到定義清晰用的參數(shù)比較多的是PPD，PPD大于40就能滿足大部分人的需求，這也是成本和性能很好的平衡結(jié)果。但只用PPD是不是就能完全定義“清晰”？其實是不夠的。

除了PPD，還有亮度。要想看清楚一個東西，亮度很重要。對于亮度來說，無論是VST還是OST都不一樣。VST的入眼亮度大于100 cd/m2比較合理。因為肉眼有兩種光，一種是顯示內(nèi)容的光，另一種是環(huán)境光，這樣才能看清楚外界的圖像。

除了亮度，還有一個對清晰度影響比較大的因素，就是顏色。無論是VST還是OST，都要求顯示屏要能準確還原物理世界里面的所有信息容量，這對顏色就提出了非常高的要求。顏色有兩個指標需要定義，一是色域，二是FoV內(nèi)色差要小于2JNCD。

PPD與FoV有一定的關(guān)系，目前市面上的VR的視場角都可以做到100的FoV，F(xiàn)oV越大是不是就越好？不完全是。人眼要看清楚一個物體，放松狀態(tài)是15°范圍內(nèi)，像辦公、看桌面顯示器、手機等都是在這個范圍內(nèi)；當我們要轉(zhuǎn)動眼球的時候，能夠看到的是±35°左右，這時候不需要轉(zhuǎn)頭只轉(zhuǎn)動眼球就能夠看得清這個范圍內(nèi)所有的信息。人眼真正感受立體感的是±60°左右，大概在120°范圍內(nèi)，人的雙目是融合的、有立體信息的；120°以外，只有沉浸感，沒有3D信息，因為左右視差無法融合。

基于此，現(xiàn)階段技術(shù)情況下XR要落地，F(xiàn)oV和應(yīng)用場景息息相關(guān)，而FoV和PPD又決定著我們最后應(yīng)該做什么分辨率的顯示屏。比如對于游戲來說，需要強烈沉浸感，F(xiàn)oV需要達到100°；對于觀影，60°左右的FoV是相對合理的；辦公就是30-40°。

硅基OLED用半導(dǎo)體的工藝來做屏幕，一個Shot只有26mm×33mm，這對像素的尺寸帶來了巨大的挑戰(zhàn)。普通手機的PPI在400多，但頭顯的PPI要做到4000甚至更高，所以挑戰(zhàn)很大。

前面提到亮度影響清晰度，對VST來說，入眼亮度大概需要100nits左右；對OST來說，則需要1.2倍的環(huán)境光的亮度。從人類進化到現(xiàn)在，人眼一直是看自然界的反射光，有一個適應(yīng)的范圍，亮度也不是越高越好。比如在夜晚沒有月亮只有星光的情況下，亮度非常低，人眼看不清東西；但白天人眼舒適的亮度不能超過3000nits，如果超過就有刺眼的感覺，就需要戴墨鏡，要不然會對眼睛產(chǎn)生傷害。

基于此，對封閉式的場景如影院，人因測試后得出的最低亮度標準是50nits，稍有點暗，在這種完全封閉的環(huán)境下，人眼比較舒適的亮度是70nits。從70nits到200nits，隨著亮度上升，人眼的舒適感不斷升高。但超過200nits以后，人的舒適性就下降，超過250nits以后就有刺眼的感覺。

所以，對VR形態(tài)的VST來說，入眼亮度不需要很高。對OST來說則受環(huán)境光限制，環(huán)境光越強，入眼應(yīng)該越亮，但又因為人眼本身對亮度有一定的承受能力，如果超過3000nits就有不適感，所以要結(jié)合環(huán)境光和人眼本身的特性來定義亮度，才比較合理。

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

傳統(tǒng)的掃描方式，掃一行顯示一行，圖像如果更新很慢還沒問題；當刷新率高、圖像更新很快，就會出現(xiàn)圖像割裂的情況。在掃描的時候，我們是不顯示的，掃描結(jié)束以后才顯示，這樣讓人每次看到都是完整的圖像，但很大部分時間不顯示圖像，亮度也會有折損。

那我們中間掃描、顯示各用多少時間是比較合理呢？有一個公式，一般用MPRT來定義動態(tài)圖像響應(yīng)時間，它取決于幾個因素，一是屏本身的響應(yīng)時間，二是刷新率。

按照這個關(guān)系來看，對OLED來說，響應(yīng)時間非常快，可忽略不計，但刷新率是受限的。對于90Hz的屏來說，MPRT要做到2ms，不能超過這個時間，如果超過這個時間，意味著有80%的光會被損失掉。所以，如果做到100亮度的顯示屏，在VST形式下，用Pancake的光學(xué)，那屏幕亮度就需要6000以上，才能做到很好的VR顯示效果。所以并不意味著VR是封閉型顯示，亮度就可以放得很低。

而對OST來說，它的亮度還和外景的穿透率有一定的關(guān)系。環(huán)境光亮度平均是1000nits時，相當于在商場的亮度，顯示屏做到4000nits就可以。如果到戶外，我們最大的環(huán)境光是100,000nits甚至更多，但因為亮度太高，對眼睛有傷害，所以入眼亮度最多2000nits。如果用幾何光學(xué)，光效可做到15%，那可推算出顯示屏大概需要10,000nits多一點，就能夠滿足絕大部分場景下OST對亮度的需求。

顏色也會影響清晰，而顏色方面的技術(shù)挑戰(zhàn)是Crosstalk會對色域產(chǎn)生影響，尤其是低灰階的亮度和顏色會有比較大的影響。

這張圖展示了硅基OLED的基本結(jié)構(gòu)，用硅的背板做OLED的發(fā)光層。現(xiàn)在普遍可量產(chǎn)的是白光+Cover glass的方式，產(chǎn)生的白光通過CF產(chǎn)生了彩色，這種方式的工藝也比較簡單，和Micro LED有一些相似，都是硅的背板，前面都是用半導(dǎo)體的制程，后端是平板顯示的制程，所以它是一個半導(dǎo)體顯示，即，基于半導(dǎo)體和平板顯示相結(jié)合的顯示方式。在這個基本架構(gòu)下，現(xiàn)在硅基OLED還有其他幾種主流結(jié)構(gòu)。

硅基OLED演變的4種技術(shù)路線

一種是Tandem，它是一層發(fā)光，上面是陽極，下面是陰極，它就是簡單的串聯(lián)，串得越多效率越高，亮度可以越亮，但是帶來的挑戰(zhàn)是電壓要求越高。

第二種是Microcavity，它其實是在兩個電極里面產(chǎn)生諧振，通過振蕩以后使它的組分產(chǎn)生漂移，原先出的是白光，但是通過振蕩以后，會偏紅、偏綠、偏藍，就會產(chǎn)生彩色，不需要CF也可以產(chǎn)生彩色，這個時候通過CF進行過濾，色域就有大幅度的提升。

第三種是Microlens，在每一個像素上加一個透鏡，MicroLED的好處是可以提高光取出，讓光的出光率更高，同時通過LENS的設(shè)計，可以很好的調(diào)節(jié)整個光的出光方向，和光學(xué)設(shè)計做很好的匹配。

第四是像素驅(qū)動，OLED本身發(fā)光亮度和電流有關(guān)系，因為OLED本身的電流密度非常小，所以控制電流非常難。市面上現(xiàn)在有很多的顯示器是控制電壓，但是隨著時間的推移，有機材料的電阻率會發(fā)生變化，電壓和電流的關(guān)系也發(fā)生變化，對壽命有極大的影響。

視涯科技從2016年開始到現(xiàn)在，做了很多的研發(fā)工作，也積累了相關(guān)的技術(shù)。包括比較完整的仿真技術(shù)，具備量產(chǎn)的Tandem架構(gòu)，還有Microcavity設(shè)計與制作，及Microlens設(shè)計，我們也開始采用電流驅(qū)動，通過自己去開發(fā)、定制CMOS器件，實現(xiàn)電流驅(qū)動的量產(chǎn)。

我們產(chǎn)品的規(guī)格從小到0.32寸大到1.3寸，可以覆蓋VR形態(tài)的VST、OST等各種應(yīng)用。而其中一個單品出貨量已經(jīng)超過了1KK。今年重點推出的兩款產(chǎn)品：一個是0.6寸的顯示屏，一個是1.3寸的4K顯示屏。在0.6寸顯示屏上，基本上可以做到整個背板用80nm的制程，彩色的亮度可以做到6000，刷新率動態(tài)可調(diào)，從30到120Hz根據(jù)使用場景可以動態(tài)變化刷新率，可以實現(xiàn)100%DCI-P3的色域，采用了極低功耗的MIPI接口，同時結(jié)合電流驅(qū)動，對壽命有極大的提升。預(yù)計12月底可以送樣。這就是我們在合肥的工廠（指向工廠實拍圖）。

目前，我們還在新建更多的產(chǎn)能和需求，歡迎業(yè)內(nèi)朋友繼續(xù)關(guān)注視涯科技，與我們在微顯示技術(shù)趨勢話題上有更多的交流，謝謝！

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