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

2023-12-13 06:10:32来源:VR陀螺


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。

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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AugmentedReality,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。

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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100cd/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°。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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+Coverglass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MicroLED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。

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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。

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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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