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发布日期:2023-12-24 12:13    点击次数:99

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增强实际本领是元天地进击的东说念主机交互平台,其中光学成像部件和微披露屏是成像质料的重要。当前有五种微披露本领:硅基液晶、硅基 OLED、硅基 micro LED、DLP 披露以及激光扫描振镜等。本文将真贵先容不同本领微披露屏的组成结构、工艺历程、硅基驱动方式关节、发展近况以及濒临的挑战。在硅基驱动的部分,将从像素驱动的不同电路以及不同驱动电路的优污点出手,分析不同披露本领硅基部分的遐想和方针挑战。并对当前不同本领所能达到的方针进行了汇总相比。硅基背板的遐想情切点和发展趋势也将获得参谋。在本文的临了对不同微披露芯片的应用场景和发展进行了参谋。

 一、引 言

增强实际倡导最早出当今 1968 年,但受制于披露和光学本领,一直未能普及。1990 年代,好意思国军方条款提高空军作战遵守,才开动对披露屏的更新换代提议明确条款。一些公司开动了对基于硅基的液晶屏的研发。2012 年谷歌推出了基于硅基液晶(LCoS)和棱镜光机的轻便式单目 AR 眼镜,使得更多的机构和消费者对 AR 眼镜产生了浓厚的酷好。跟着增强实际的应用场景和需求越来越多,相应的对 AR 眼镜的条款也就越来越高。如需要万古候率领的增强实际(AR)眼镜需要得志体积小分量轻而况待机时候长的需求。而户内或者是工业场景应用中,则对分辨率、对比度和可视角有更严苛的条款。为了构建更好的 AR 系统,AR 眼镜中的不同模块,如处理器、光机和微披露屏也引起了情切。如处理器从前期的径直用现成的通用处理器,到当今的针对 AR/VR 的专用处理器。光机从早期的棱镜光学到当今的光波导本领,披露从 LCoS 独步天下(Google glass 1、Hololens 1, Magic leap 1 等)到当今的 LCoS、硅基有机发光二极管(OLED)(INMO AIR)、激光扫描振镜(LBS)(HOLOLENS2)和微型发光二极管(MICRO LED)(OPPO Air Glass)等多种微披露本领王人获得了应用和践诺。也有厂商通过提高制造精密度,给与了高温多晶硅液晶披露(HTPS LCD)本领来达到 AR眼镜的条款(EPSON)。

LCoS 脱胎于 LCD 本领,借助锻练的半导体工艺和液晶产线,发展速即,有工艺锻练资本较低等特色。尔后硅基 OLED 跟着工艺和制造放心锻练,凭借其高对比度的上风备受爱重。但是硅基 OLED 的寿命、亮度王人是瓶颈,使其在户外应用场景一直受限。其后 Micro LED 凭借其高亮度和更长的预期寿命被以为是更得当于 AR 的微披露本领,但是由于制造工艺还未锻练,良率很低,每每以为离量产还有一些时候。另外,由于微软在 HOLOLENS 2 内部勇猛给与了 LBS 微披露本领,使得这一本领获得一些产家的爱重。

关于时下游行的光学和披露本领,Bernard Kress 在其著述第七章中针对不同微披露本领的发光方式、发光遵守和披露后果进行了防护先容,其中也先容了阛阓上的主流居品所给与的本领。Shin-Tson Wu 等东说念主在文件中对不同微披露器件的材料本性和器件结构作念了防护汇报。文件对不同披露本领的披露旨趣和所有这个词光学系统的搭配作念了先容。文件则是对不同本领进行了分类和方针对比。可是,微披露本领,从制造历程或者说遐想来看,又不错分为前说念的硅基部分和后说念的发光层部分。如LCoS可分为硅基背板和液晶盒子,OLED-on-Silicon 不错分为硅基背板和表层的有机发光层。本文将从硅基背板的角度对不同的微披露本领进行先容。即从应用场景动身,针对不同应用对微披露的不同条款,从硅基背板遐想的角度对不同本领进行分类发扬。这对 AR 眼镜的系统性遐想将提供灵验匡助。

基于这一想考,本文从第二部分到第五部分,鉴别先容 LCoS 本领、硅基 OLED 本领、硅基 micro LED 本领、DLP 和 LBS 本领的器件结构、硅基电路遐想架构和发展趋势。在第六部分将对各种本领进行对比分析。

 二、硅基液晶(LCoS)

2 .1 LCoS 的器件结构

对此,IT之家也选取了目前国内主流厂商小米、华为、vivo、OPPO、荣耀的官方原装随机附送充电线,进行了对比测试。

LCoS 一开动是以袖珍化的 LCD 为办法,但是跟着本领的高出,还发展出了丰富的应用,如全息、光通信和光镊等。尽管如斯,LCoS 从结构上看,依然是起始的硅基加液晶盒子方式。跟薄膜晶体管(TFT) LCD 的最大区别等于用单晶硅晶圆取代了 TFT ARRAY。LCoS芯片的剖面图如图 1,除了硅基背板,还包含由框胶、液晶以及 ITO 玻璃所组成的液晶盒子。

其简要分娩历程如图 2。

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▲图1:LCoS 结构图

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▲图2:LCoS 分娩历程图

在披露应用中,不错把柄制造工艺分为带滤色片的空间彩色 LCoS 和不带滤色片的时序彩色 LCoS。带滤色片的 LCoS 不错径直使用白色光源,数据类似传统 LCD,因此系统架构较为简便。但由于滤色片对光的损耗不错达到三分之二以上,因此系统光效亏损较大。而给与时序彩色的决议由于是通过约束不同款式光源的时序来终了混色,不需要滤色片,不错大幅度的提高光效。时序彩色决议的另一个上风是因为不需要三个不同款式的子像素来混色形成最终的像素,像素密度提高,相似分辨率的屏不错作念的更小。因而当今阛阓上的大部分LCoS 屏王人是时序彩色决议,以得志 AR 眼镜微型化的需求。

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LCoS 的成盒方式也与 LCD 一样有多种礼聘。如配向方式有摩擦配向、无机配向和光配向等。给与的液晶也有多种,有反应速即的 TN 液晶,也有高对比度的 VA 液晶,以及频年来备受情切的蓝相液晶。从披露的角度看,出于对高对比度的追求,相比常用的是无机配向和 VA 液晶的组合。在后说念工艺的补助下,LCoS 也能达到较高的对比度,如南京芯视元针对 HMD 的 LCoS 对比度不错达到 1500:1,Sony 和 JVC 针对高端大屏投影的 LCoS 对比度鉴别作念到了 4000:1 和 5500:1 。

2.2 LCoS 的硅基背板遐想

LCoS 硅基背板的遐想,按像素驱动方式分,不错分为模拟像素驱动和数字像素驱动,如图 3 所示。

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▲图3:LCOS 的模拟像素驱动电路和数字像素驱动电路

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不错看出模拟像素驱动相比类似传统 TFT 驱动方式,先通过 DAC 将数字视频信号调动为模拟灰阶电压,尔后传输到液晶层通过约束液晶的不同翻转进程来约束光的反射。而数字像素驱动则通过将原视频信号分为不同的数字子帧,诈欺脉冲宽度调制来约束液晶的灰阶披露 。在一个时候周期内,液晶上的等效的灰阶电压为 :

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关于时序彩色 LCoS,给与红绿蓝三色光源分时照耀到屏幕上。如果是数据通过单个晶体管和电容径直写入,那么光源只可在数据十足写入以后照耀,灵验披露时候短,亮度低。因此为了提高光效,一般给与一个缓存帧来预存数据,披露上一帧图像的同期写入下一帧的图像数据,加多光源照耀时候和亮度。由于时序彩色的数据流与常见视频源的数据流不太一样,是以一般需要一个驱动 IC 来对数据进行处理。为了进一步减小智能眼镜的体积,也不错给与更小的工艺节点将驱动 IC 部分集成到披露屏里。这么能更好的得志可衣裳的条款,仅仅资本将大幅高潮。

关于一些特殊的高分辨率的应用场景,需要 4K 致使 8K 的分辨率。此时如果依然按原先的方式径直访佛更多的像素,屏的面积会大幅增大,走线长度大幅加多,信号质料和数据带宽将成为挑战。因此也出现了通过抖动来提高视觉分辨率的作念法。即屏幕的物理分辨率并莫得达到条款的数值,但是通逾期序上的抖动,不同子帧的时候访佛效应形成一个视觉上的高分辨率屏,也不错通过两个屏幕的光学错位来终了。但是由于抖动算法会加多功耗,在可衣裳的应用中并不一定得当。

总体来说,LCoS 的发展,主若是把柄应用需求束缚演进。早期受限于工艺和应用,一般是低分辨率大像素的屏(720P 以下)。跟着 AR 光学的发展,开动对中中分辨率(720P 和1080P)高光效低功耗的屏产生需求。激光电视的践诺使得高分辨率高对比度高可靠性成为接头的焦点(4K 和 8K)。而 AR 阛阓的普及又使得极小尺寸低功耗的披露屏成为一大趋势。在小尺寸方面,有减小分辨率和减小像素尺寸两种方式。当前有报说念的 LCoS 最小像素尺寸是 3.015μm, 来自 Compound Photonics 公司。从遐想角度,几种居品给与的系统架构和遐想情切点王人会有区别。

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三、硅基 OLED

3 .1 硅基 OLED 的器件结构

硅基OLED从结构上也不错分为两种,一种是给与白光发光层加滤色片的结构,如SONY、京东方 和弗兰霍夫相关所等,其基本结构如图 4;一种是径直作念 3 种不同发光材料的结构。给与第一种结构主若是为了消亡蓝光 OLED 材料的寿命问题。非论哪一种结构,硅基 OLED 的亮度问题亦然一直被诟病的污点之一。文件的相关发现,相似的 OLED 器件结构下,不错通过限度的调高使命电压并裁汰占空比的方式提高披露亮度并蔓延器件的使用寿命。另外,也有许多基于堆叠发光层提高 OLED 亮度的相关。有相关以为,三层堆叠、双层堆叠的 OLED 和单层 OLED 的电流出光比苟简为 3:2:1。

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▲图4:OLED 器件结构

硅基 OLED 的后说念工艺亦然从硅基晶圆开动,如图 5,先进行发光层的蒸镀,尔后进行密封处理和玻璃盖板贴合,临了切割和封装成单独的芯片。为了进一步提高发光遵守和亮度,SONY 于 2019 年还提议了使用微透镜加多出光率的工艺。

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▲图5:硅基 OLED 工艺历程图

3.2 硅基OLED的背板遐想

OLED 材料是电流驱动器件,像素驱动也不错分为模拟像素驱动和数字像素驱动,如图6。关于硅基 OLED 背板来说,模拟像素驱动指的是披露信号通过 DAC 调动为模拟电压之后,通过驱动像素的 MOS 管再调动为 OLED 器件所需要的电流。这种关节需要的 MOS 管少,但是因为屏幕亮度基本和像素电流成正比,而像素和像素之间的驱动 MOS 管的开启电压 Vth 在制造过程中会形成偏差,使得屏幕出现亮度均匀性问题。大屏每每会另外使用算法 IC 来赔偿这一亮度不均匀,可是关于微披露来说,由于像素和像素之间的亮度互异是由电流互异形成的,而况这种电流互异十分狭窄(nA 级别),难以片外赔偿,是以每每给与像素内赔偿的方式来改善屏幕的亮度均匀性。此外,由于低灰阶情况的像素电流王人在 nA 级别,随环境和工艺变化显着,灰阶精度很难保证,是以也有给与 10bit 的 DAC 来完成 8bit 灰阶的遐想。硅基 OLED 的数字驱动也不错给与 PWM 的方式,但是此时的脉冲宽度把柄需要的披露亮度来筹画。文件王人给与了这种方式。PWM 驱动方式在灰阶调动和对比度上施展更好,但是需要的数据带宽要更高。

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▲图6:硅基 OLED 的模拟驱动和数字驱动

硅基 OLED 的背板发展趋势还有一个特色,等于有超高分辨率高帧率大尺寸屏和低分辨率低帧率低功耗两个截然有异的发展办法。高分辨率大尺寸屏主要针对一些对披露条款高的 AR 以及最近流行的 PANCAKE 光学架构的 VR。而低分辨率低功耗主要应用在郊野需要电板续航时候长的场景。Philipp Wartenberg 致使在 2022 年的 Displayweek 上提议了点亮功耗唯有 1mW 的双色 OLED 屏。

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四、硅基 MICRO LED

4 .1 硅基 MICRO LED 的器件结构

由于 MICRO LED 在发光遵守、寿命和使命温度上王人有上风,一直备受情切。与 LCoS 和硅基 OLED 不一样的是,当前 MICRO LED 的制造工艺尚未锻练或者说有相比斡旋的趋势。诚然 MICRO LED 的界说当前还莫得斡旋的意见,有以为像素间距在 100um 以下就算 micro LED的,也有以为像素间距在 50um 以下才不错算。由于本文专注于应用于 AR/VR 的微披露芯片,将不包含像素大于 50um 的 MICRO LED 披露。从 MICRO LED 发光结构上看,有横向结构也有垂直结构。横向结构指 LED 的阳级和阴极聚合触点是横向摆放的,即使不在合并高度,却需要浪费横向的面积。而垂直结构是指所有这个词发光结构在垂直办法形成,阳极或阴极的其中一极是专家电极,一极聚合像素,从发光面来看,不浪费特殊面积。可知,关于对PPI 条款较高的 AR 应用来说(>1000ppi),垂直结构是一个更合理的礼聘。从全彩披露的角度看,有几种不同的决议,不错键合三种不同款式 LED,也不错加量子点或量子阱对蓝色或是 UV LED 进行色调动,也有三片不同款式的 LED 芯片垂直堆叠合成彩色的工艺。Micro LED 的器件结构面对的另一个挑战是跟着单颗 LED 面积的减小,欧博在线登录发光遵守也大幅度下跌。

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从制造工艺上看,有倒装焊工艺也有晶圆级的制程。从硅基 MICRO LED 的角度看,倒装焊工艺主若是通过金属键合或是其它微结构将 LED 芯片和 CMOS 硅基芯片在像素级别逐一双应的聚合起来。而晶圆级的制程则更多的借助于半导体制造工艺。一个常见的基于色调动的倒装焊工艺历程如下:起始鉴别制作 CMOS 驱动晶圆和 LED 晶圆,通过倒装焊键合两种不同的晶圆后剥离 LED 衬底,在 LED 上制作色调动层,尔后进行封装。而晶圆级工艺又分为几种,有将外延片编削到硅基晶圆后再刻蚀单个的 LED 像素的方式,也有在LED 晶圆基础上进行 TFT 制作的方式,也有先将 LED 晶圆切割并编削到硅晶圆基底尔后进行晶圆级键合的方式。

4.2 硅基 MICRO LED 的背板遐想

Micro LED 像素亦然电流驱动,驱动方式也不错分为模拟驱动和数字驱动,如图7。可是和 OLED 不一样的是,关于现存的 MICRO LED 工艺来说,模拟驱动方式除了有 Vth 变化形成的亮度不均问题之外,还濒临发光遵守随电流值改变的问题以及电流变化引起的发光波长蓝移问题,是以数字驱动的方式每每礼聘 LED 芯片 EQE 较高的电流区间进行 PWM 约束而形成灰阶,而亮度不均匀和工艺偏差不错通过算法惩处。

但是关于面向 MICRO LED 的硅基背板来说,有一个遐想矛盾。关于 micro LED 像素,发光遵守最大的电流密度在 10-1000 A/cm2之间。而单个微披露芯片每每披出头积也就在1cm2以内。关于普通 CMOS 工艺来说,如斯大的电流密度很难终了。尤其如果接头金属走线的寄生电阻,关于高像素密度的屏,大电流将引起过大的压降(屏的尺寸一般在0.5-1cm2,按低的 10 A/cm2 筹画,0.1 欧姆的寄生电阻将引起 1V 的特殊压降,而大部分供电电压在 5V 或以下),反过来影响屏的亮度。是以咱们会看到一个风趣的状貌,分辨率高且像素小的微披露芯片,每每功耗反而低,分辨率低且像素大的屏,功耗可能反而大。表1 是咱们对一些文件中的 CMOS 芯片部分的参数作念了一个汇总。LCOS 和 OLED on Silicon 的像素间距和像素大小辞别不大,是以一般只给一个间距。而在 MICRO LED 的情况,接头制造工艺和走线,两者差距有可能较大,因此在表中尽量作念了标注。

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▲图7:硅基 uLED 的模拟驱动和数字驱动

关于 AR 的应用场景,屏看成可衣裳终局上的芯片,对功耗是但愿越低越好。动辄上瓦的功耗并不适用。因此,可能需要在发光亮度、遵守和功耗之间作念一个均衡。

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▲表1:micro LED 关系文件中的硅基部分的参数

五、DLP和激光扫描MEMS微镜本领

DLP(Digital light processing, 也称为 Digital Micro-mirror Device, DMD)本领和 LBS 本领旨趣上王人属于 MEMS 本领,但是二者的使命旨趣十足不同。

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DLP 芯片当中,CMOS 驱动部分和微镜是在一颗芯片上,其使命旨趣额外类似数字驱动的时序彩色 LCOS,屏是在 CMOS 工艺之后,经过 CMP 制程,接着制造了用于反射的繁密像素级狭窄镜面,每个像素底下王人是一个 6T SRAM 单位,用上下电平来约束光的开启和关断。其防护结构和制造工艺历程可参考文件。这一本领由于专利和分娩原因,一直唯有 TI 一家供应商。

激光扫描微镜本领在微披露本领中是相比特殊的一类。图像是通过微镜将被调制的激光有序的放射到某个投影名义不同的位置,让东说念主在视觉上嗅觉到一幅图像 。也因为披露画面不是由物理像素组成的,微镜本领也被委用厚望能不受制造的物理极限而终了更高的像素密度。这一本领在每每微披露的披露区用一个毫米级别的微镜取代了其它本领的像素披露部分(繁密的微米级别的单个像素),屏上每每包含了微镜、制动器和感应器,微镜的驱动信号由另外的搀杂工艺制造的芯片提供。诚然基于 MEMS 微镜的微披露本领在之前就有提议,但是由于微镜的制造属于特殊工艺,很少受到情切,一直到微软在 HOLOLENS 2 中勇猛给与了 LBS 本领才发生了改变。微镜的制造工艺不错参考。

微镜的约束可分为静电约束(eletrostatic)、电磁约束(eletromagnetic)和压电约束(piezoelectric)。这里微镜把柄扫描方式又不错分为两种,使用光栅扫描加线性扫描两个微镜的决议,以及使用单个微镜的决议。无论哪种决议,微镜王人是终了反射光的作用。而微镜的约束部分,主要通过算法约束微镜的偏转角度,逐点成像。在算法上又分为光栅扫描算法和双振算法。光栅扫描算法等于传统的快速翻转光栅微镜形成图像的行,再通过线性微镜以稍慢的速率完成不同业图像的扫描。而双振算秩序是通过单个微镜在两个轴上王人快速翻转,并屡次写入形成完满图像。两种算法王人有丢失像素点的污点,是以基于 LBS 本领的眼镜的视觉分辨率王人会比标称的分辨率要小。优点在于微镜对上下温耐受强,且亮度高。

六、结 论

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通过以上几个部分的先容,咱们不错看出,每一种微披露本领王人有我方的优污点,也各有需要面对的挑战。比如 LCOS 屏的制造工艺锻练,亮度高,对比度中等,硅基背板遐想活泼,功耗中等,但是由于是反射式的而非自觉光的屏幕,在 AR 应用中会比 OLED 屏和 MICROLED 屏的决议需要多一个投影光机,增大了系统的体积、功耗和复杂度。关于不是止境介怀体积的如 HMD 等应用场景,LCOS 是一个额外合适的礼聘。硅基 OLED 屏对比度高,制形锻练度中等,亮度较低,硅基背板有针对不同场景的功耗优化决议,在一些对亮度条款不高的室内场景,以及一些对光路进行处理的决议上会相比有上风。Micro LED 屏的亮度高,预期寿命长,永眺望额外得当 AR 和 VR 的应用,但是当前制造工艺还不是很锻练,材料、良率和功耗等方面王人有挑战。在 AR 应用上,当前主要在一些主要作念信息教导的不需要高分辨率的场景应用,量产智力有待阐明。至于 LBS 决议,主要上风在于有完满决议,使命温度相对平日,对一些恶劣环境的应用有上风,污点在于激光容易色偏,需要温控,系统功耗和骨子分辨率王人莫得上风,且供应链薄弱。

如今,大陆方面对微披露的相关也方兴未已。之前由于产业链的不完善,硅基微披露的发展一直相比放心。2001 年南开大学团队就发布了分辨率为 640*480 的模拟驱动 LCoS 芯片。中科院团队于 2009 年发布了分辨率为 320*240 的模拟驱动 LCoS 芯片。电科 55 所于2019 年发布了分辨率为 1400*1050 的单色硅基 OLED 芯片,并于 2022 年对 MICRO LED 的发光材料和后说念工艺作念了综述相关。上海大学团队 2021 年发表了对硅基 OLED 屏的寿命相关。福州大学团队于 2020 年对 MICRO LED 微披露本领从驱动到编削本领,以及相关发展情景作念了综述相关。笔者团队于 2020 年 6 月发布了分辨率为 1920*1080 的模拟像素驱动 LCoS 芯片,2020 年 11 月发布了基于数字像素驱动的 FHD LCoS 芯片,2021 年发布了分辨率为 480*270 的单色 MICRO LED 芯片,2022 年结伙南边科技大学团队共同发布了 FHD单色 QLED 芯片。不错看出,2020 年后,大陆微披露产业投入了高速发缓期。

表 2 对不同硅基微披露本领的进击参数进行了一个相比。若何减小像素特征尺寸关于各式微披露本领来说王人瑕瑜常有挑战性的一个课题。这里礼聘了在梗概终了全彩披露前提下的最小像素尺寸。关于空间彩色(如 OLED 和 MICRO LED 本领),一个完满披露像素每每需要由 3 到 4 个子像素组成,因此其子像素的尺寸可能小于表 2 所标注的尺寸。而关于 LCoS本领和 DLP 本领,由于单像素就能终了彩色,披露像素和物理像素不错逐一双应。在最大分辨率这个方针上,将不接头通过算法提高的披露分辨率,也不接头功耗,只接头梗概制造出来的骨子物理像素数目。如 8K 的 LCoS 屏,由于价钱上流,当前主要用于大型投影仪。又如关于 DLP 本领,不错通过抖动算法,用 1920*1080 的屏终了 3840*2160 的分辨率,大于屏的物理像素分辨率。针对 micro LED 本领,有单色分辨率不错达到 1080P 的居品,这里礼聘的是当前有报说念的最大全彩分辨率 960*540。关于 LBS 本领,表面上,通过填塞快的扫描算法,不错终了任何大小的分辨率。可是微镜扫描速率受半导体器件使命速率和微镜翻转速率的约束,当前主要的决议主要如故 720P 和 1080P。锻练度的判断依据主要为分娩制造工艺是否锻练以及居品是否也曾获得粗鄙的使用。LCoS 和 DLP 鉴别在 AR 眼镜和投影边界应用多年,尽管仍在矫正,王人算是很锻练的本领。硅基 OLED 也在 EVF 和 VR 边界获得了应用,但是无论是材料如故工艺,王人在改善当中。LBS 由于不错鉴戒之前的 MEMS 工艺,相对来说制造工艺还相比锻练,主若是针对 AR 应用的矫正。而 MICRO LED 本领无论是材料、制造工艺,如故跟硅基背板的联结,王人还百家争论的阶段,而况莫得精深应用的居品,因此以为锻练度较低。功耗数据主要来自实测、关系居品手册和综述文件。硅基 OLED 和 microLED 的最小功耗鉴别来自文件和文件。对比度数据主要参考实测数据和文件。

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▲表2:不同微披露本领的参数对比

总而言之,不错以为,在 AR 边界,LCoS 是一个相比锻练可用的微披露本领,其次是硅基 OLED,micro LED 本领有望其后居上。但在一些特殊的成像边界,如全息成像,LCoS 依旧是最好礼聘。非论哪一种微披露本领,屏侧与硅基背板部分的联结王人是很进击的。曩昔不错通过磨砺优化,对不同的屏礼聘更合适的驱动决议和架构,终了更优异的性能。举例通过升级使用的半导体工艺节点将驱动电路和屏侧集成到一颗芯片上以减小功耗,或通过 CPU 侧预处理视频信号,针对性的优化屏侧的功率,王人不错让当今的微披露本领愈加得当可衣裳诞生的需求。

The End

起原:《激光与光电子学进展》金沙娱乐场

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