Karl Guttag：从CES 2023展台看Micro LED+光波导挑战与未来

　　近年来，市面上出现了多款基于Micro LED和光波导的AR眼镜，此类设计可实现小巧、轻便的眼镜外观，部分方案已实现彩色显示。不过由于光波导光效问题，亮度输入数百万尼特，输出只有数千尼特。近期，AR/VR光学专家Karl Guttag结合CES 2023上展示的Micro LED+光波导方案，详细分析了各种不同设计的优缺点，以及此类方案面临的挑战和趋势。

　　据了解，大部分中端手机的亮度约达500-700尼特，部分旗舰机的亮度可达到800甚至1000尼特。相比之下，一些光波导AR眼镜为了能在户外使用，亮度竟可达到数千尼特。光波导AR眼镜需要很高的输入亮度，除了在强光下显示外，也是由于光瞳扩展和光线损失，光波导的效率较低，只有一小部分光线进入人眼。假如光源的亮度达数百万尼特，进入人眼的可能只有数千尼特。

　　为什么说光波导光效低呢?通常，大多数LED几乎都是朗伯光，而光波导需要准直光。因此，一般会在Micro LED需配合小型光学器件(比如MLA微透镜阵列)将光线部分准直，同时提升亮度。由于物理特性“光展度”，光波导的入射区面积严重限制了可输入的光，这也被称为光展度损失。尽管光波导的入射小，但是光线会在光波导上分散扩大，从而覆盖FOV，此外扩瞳也会造成光损。多款AR眼镜采用JBD Micro LED+衍射波导

　　​在CES 2023展台上，可以看到Vuzix、OPPO、TCL、Dispelix、WaveOptics等公司都展示了基于JBD Micro LED和衍射光波导的AR原型。除了衍射光波导外，还有珑璟光电的二维扩瞳阵列波导，搭配了一个三屏全彩光机。而在Playntride展台上展示了Lumus阵列波导，这些公司选择的光学方案不同，除了与光效有关外，也受到成本等其他因素推动。

　　在CES 2023期间，Guttag再次表示：​Lumus阵列光波导相比衍射光波导的光效优势明显，一方面是耦入面积大3到9倍，另一方面半反射面损失的光比衍射光栅少。因此Lumus的光效比衍射光波导高5到10倍以上，在亮度和功率上表现更好。

　　在PlayNitride展示QD Micro LED+二维阵列光波导，以及QD Micro LED+一维阵列光波导的方案。PlayNitride的全彩QD-Micro LED仅能输出约15万尼特，因此需要更高效的光波导。

　　​虽然Micro LED亮度比Micro OLED高数百到一千倍以上，但Micro LED可能还需要5年或更长才能达到与Micro OLED的色控和均匀水准。因此短期内，像Birdbath、自由曲面、Pancake等更追求图像质量，而非提升亮度，且光效比光波导更高的方案，也将继续使用Micro OLED或LCD光源。与此同时，Micro OLED的亮度也将提高，甚至有公司预计提升至30K尼特。

　　Guttag表示，JBD是他唯一知道的已量产Micro LED的公司，很多AR眼镜在使用JBD 640x480分辨率单绿色屏，比如Vuzix(Ultralite、Shield)、OPPO和WaveOptics。此外，JBD也在开发像素深度更高、分辨率更高的方案。

　　目前，JBD的单绿色Micro LED色深为4bit，仅支持16个亮度级别，其显示的轮廓线会伴随着平滑的阴影区域，据悉正在设计更大亮度级别的产品。

　　​Guttag表示：在过去一年中，JBD的Micro LED已经是市面上最均匀的，其像素间亮度差异在不断改善。尽管如此，表现也有一些问题，例如在本应是实心的区域仍有明显的颗粒感。

　　1)Vuzix

　　Vuzix Ultralite重38g，此前Vuzix光机几乎都是DLP方案，而Shield和Ultralite则采用了单绿色Micro LED光机。在展台上，Vuzix展示了单绿色Micro LED、RGB Micro LED和DLP光机之间的大小差别，单绿色方案要小得多，不过DLP的优势是可显示真色彩，它们的分辨率差别不大。

　　Vuzix应用Micro LED光机后亮度可达4100尼特，可满足户外使用需求。功率方面，Micro LED耗电量大约与平均像素值(APV)成正比，因此Ultralite功耗很小，一次充电正常可使用两天。

　　2)OPPO

　　OPPO在CES 2023上展示了基于单绿色Micro LED(JBD)的AR眼镜，外观、图像质量、分辨率都与Vuzix Ultralite接近。

　　3)TCL

　　TCL展示了基于JBD的三色光机(3-Chip+X-Cube，结合珑璟光电波导)。Guttag表示：这款产品疑似衍射光波导，但和我此前见过的有明显不同，出现了类似于阵列波导的条纹，而且光栅“宽度”要大得多。

　　4)歌尔&JBD模组

　　歌尔展示了单绿和全彩X-Cube Micro LED光机。值得注意的是，歌尔是多家大牌产品的代工厂，曾服务于苹果、微软、索尼、三星、联想等公司。

　　颜色可调LED

　　​去年，Porotech曾推出单红色、单绿色、单蓝色的InGaAs Micro LED方案，以及单像素全彩可调方案(DynamicPixelTuning，DPT)，受到了很多关注。

　　下面是使用微距镜头拍摄的DPT演示效果，视频中展示了整块屏幕色彩变化过程。

　　​Ostendo几年前就研发颜色可调的LED，此前其彩色堆叠Micro LED比较出名，六年前开始研发覆盖全RGB色域的氮化镓单片LED，并发表论文。不过，Ostendo方案似乎还停留在单色LED原型阶段，还未进一步迭代。

　　Innovation Semiconductor正在研发一种将控制晶体管电路与InGaAs背板集成的技术，特点是替代了更常见的混合InAs、CMOS方案。此外，也在开发一种颜色可调LED制造工艺，称为“V-grove”。Guttag表示：结合Innovation的论文来看，用V-grove工艺生产颜色可调LED，可能比Porotech、Ostendo方案更有效。

　　对于Innovation在GaN中集成晶体管的方案，Guttag担心它能否在控制成本、像素尺寸的同时，保证集成控制电路的数量。 PlayNitride(蓝色LED，支持QD空间颜色转换)

　　​PlayNitride展示了全彩色Micro LED方案，该方案为单蓝色显示，但可通过量子点(QD)技术转换成红色和绿色。该方案亮度为15万尼特，比Micro OLED更亮，但比JBD、Porotech等原生RGB Micro LED要低得多(相当于十分之一)。

　　​在CES 2023上，PlayNitride将Micro LED与Lumus光波导结合展示，尽管Lumus光波导光效高，但Micro LED的15万尼特亮度还是不够实用，而且像素间距大。

　　PlayNitride展示的只是原型，但也是CES上唯一个高分辨率全彩色单片Micro LED(1Kx1K和1080p)。不过，其绿色和红色明显比蓝色显示更暗，红色不够正，更接近洋红色(红蓝混色)。而且放大两倍来看，其像素存在色差、亮度差异和颗粒现象。 QD空间颜色转换与微显示器

　　实际上，利用QD颜色转换来将蓝色和UV LED转化为RGB LED的方案，已经提出多年。但在Micro LED这种微型显示器上使用QD工艺，存在一些特殊问题。比如，空间颜色方案的像素太大，不适合AR/VR，即使像素变小，转换色彩的QD层依然具有厚度，此外它还需要某种微型“挡板”，来防止相邻的LED发出错误颜色。

　　一些方案采用更薄的QD层，但需要依靠滤色器来“清理”颜色，降低效率，还会产生热量。值得注意的是，QD材料需要足够耐用，才能不限制亮度。 MICLEDI的重组InGaS晶圆

　　MICLEDI成立于2019年，是比利时IMEC研究所的衍生公司，也是一家无晶圆Micro LED厂商。工艺特点是，每个芯片具有单一颜色，支持空间颜色(颜色并排)和堆叠颜色方案。MICLEDI还开发了基于GaN和AlinGAP的红色工艺。

　　​Guttag指出，从CES 2023展示的方案来看，MICLEDI目前似乎没有明确的方向，主要是向其他厂商提供可授权的技术。尽管如此，MICLEDI的一大亮点是可使用100/150/200毫米Gan或AlinGAP晶圆，来制作“重组”PNP晶圆。这些重组晶圆可通过现有的300毫米CMOS晶圆工艺来实现覆晶封装。

　　现阶段，几乎所有的LED制造都是在小尺寸晶圆上进行的，比主流的CMOS工艺所使用的晶圆小得多。通常，在制造LED时会将有间隔的LED阵列放在更大的CMOS晶圆上，来实现小型GaN晶圆覆晶封装，丢弃了大部分多余的CMOS晶圆。 堆叠式Micro LED

　　MIT在CES 2023期间公布了堆叠式RGB Micro LED工艺，似乎与Ostendo的研究内容相似。

　　Ostendo也在研究类似的技术，并将多个小型Micro LED拼接，来扩大FOV。MICLEDI也曾开发LED并排排列式固定色彩方案。

　　堆叠色彩的优势是，可实现尺寸更小的RGB屏幕，缺点是上方的LED和电路会阻挡下方LED光线。因此，尽管堆叠式Micro LED可能比Micro OLED更亮，但没有其他Micro LED方案亮。更重要的是，现阶段红色LED是效率最低的颜色，但它却在堆叠方案的最底层。

　　由于堆叠式LED的亮度中等，它可能更适合跟非光波导光学模组结合。 总结

　　Guttag认为，很多公司都在押注Micro LED，并将它视作AR/VR微显示技术的未来。不过在图像质量方面，现有的Micro LED技术还无法和Micro OLED、LCoS、DLP竞争，而且在制造、技术上还有未解决的难题。

　　每种Micro LED制造工艺都有优缺点，还没有一种整体最佳的方案。如果将Micro LED用于AR眼镜，那么它需要实现高亮度、低功耗、小尺寸、支持全彩显示和高分辨率。现阶段，基于合色棱镜、光波导等方案的单色显示屏还不足以成为长期的AR方案。

　　换句话说，尽管市面上已经有多种Micro LED demo，但谁能量产尚无定论，一些原型仅为一次性手板，尤其是彩色Micro LED量产难度更高。

　　Guttag还指出，对于AR眼镜来讲，原生RGB LED比色彩转换的蓝色LED(如QD方案)更好。而至于单绿色AR眼镜，虽然外形时尚、尺寸小巧、也足够轻，但缺少合适的视力矫正机制，而且单色显示可能限制消费者兴趣。另外一个持续存在的问题，就是哪种光学模组最适合Micro LED，影响这一问题的因素包括LED光准直的程度。 Micro LED技术解析

　　1)Micro LED公司定义

　　成功的Micro LED公司不仅需要能制造LED，还需要设计完整的显示方案，并能控制成本。Micro LED公司有很多种类，包括无晶圆设计公司，以及能设计和制造LED的公司，以及设计CMOS控制背板，或是能将InGaS组装到CMOS背板上的LED公司。几乎每家公司组装Micro LED的流程或顺序都不同。

　　比如JBD，就是利用Epi-layer工艺，在CMOS晶圆顶部外延LED，而有的其他公司，则是先在InGaN晶圆上形成LED，然后将完成的晶体管阵列键合到CMOS控制设备成品上。

　　现阶段，还没有通用的Micro LED工艺，更复杂的是，大多数InGaN制造是基于150毫米-200毫米的晶圆完成的。

　　2)微显示器与直视像素尺寸

　　Micro LED技术可用于各种不同的显示设备中，比如壁挂式显示器、电视、微显示器、AR/VR等等。AR使用的Micro LED通常比智能手机或手表的像素小300到600倍左右，基于光波导的AR所使用的Micro LED与VR使用的Micro LED像素尺寸接近。

　　VR显示方案本质上是一种直视显示设计，其使用光学透镜来聚焦光，但却依赖降低像素尺寸来提升角分辨率。AR和VR之间有一些共享的显示元件，比如部分大尺寸AR眼镜也会使用VR中常见的显示屏，而Pancake VR头显则采用Micro OLED屏幕，一些Birdbath AR也是如此。

　　由于所需的像素尺寸不同，AR/VR、电视、智能手机使用的显示技术也不同。尤其是AR采用的RGB Micro LED方案，与直视型显示器的方案有较大差异。比如，一些显示屏可通过蓝色、紫外线的量子点转换来扩大显示区域，但这不能很好地满足AR对于小尺寸像素的需求。

　　3)多色、全彩色、真彩色

　　为了便于讨论，Guttag为RGB显示方案提出了三个分类：多色、全彩色和真彩色，它们的定义如下：

　　多色(JBD)：包括RGB等多种可识别的颜色，适用于显示基本信息和颜色编码，缺点是色控和色彩饱和度不够好，显示照片的效果更像卡通，而且平滑阴影看起来有明显的轮廓线;

　　全彩色(PlayNitride)：支持广泛的色域，显示光滑表面没有明显轮廓，但在显示人物照片时色控能力不足;

　　真彩色：支持相当准确的色控，可显示纯白色和纯黑色，面部和肤色显示效果不错，表面轮廓不明显。

　　Guttag指出，人眼对于肤色非常敏感，但在判断卡通颜色正确方面能力较弱，因此在看动画片时很难区分分辨率。一些AR原型由于校准过程未完成，所以常用卡通图像来展示色彩，而很少展示真人图像，因为显示真人需要精准的色控能力。除此之外，一些AR眼镜在显示静止照片时，会比显示动态视频/图像更容易看出问题。

　　目前，大多数Micro LED屏幕都在追求多色显示，而距离真彩色还有较远的距离。好在，现阶段大多数AR应用只需要多色显示方案。另外，Guttag表示：迄今为止，我了解过的每款Micro LED都存在明显的像素间差异，如果无法准确控制演示额，那么使用再多的校正或mura校正也很难清晰显示照片。参考：Karl Guttag