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VR和AR显示器的设计和供应链: OLED、LTPS、OLEDoS、LEDoS

要点

  • ARaugmented reality)显示器相比,VRvirtual reality)显示器的供应链更加成熟,因为基于 TFT 驱动线路的 LCD AMOLED 显示屏被广泛使用,而且相关的面板厂商已经存在,产能与供应都不是问题。
  • AR 显示器的主要元器件是微型显示器(micro display)和光学器件(optics)。两者需要组合才能发挥功能。LEDoSLED on silicon, micro LED)的优势在于高亮度,并足以抵抗环境光的强度,但其彩色化的技术尚未成熟。

从整机系统设计的角度来看,可穿戴增强现实(AR)和虚拟现实(VR)装置包括三个主要部分。首先是演示或显示(presentation or display),再者是人机界面与机器传感(user interface and machine sensing)。能够传感真实世界,并且予以数字化的传感器对高端的 AR 装置尤为重要。第三个部份是运算与通讯(computing and communication)。要为 VRAR 或混合现实(MR)渲染出电脑图像(computer-generated objects),运算性能必不可少;运算的处理器可以是穿戴式装置本身,或是利用连接(tethering)的手机或是个人电脑。连接的过程中,可以是有线,或者是利用 Wi-Fi 65G 调制解调器等无线连接以获得完全的无线体验。

人机接口和机器传感可以利用现有的传感器技术。然而,将现实世界(或是使用装置时的周围世界)予以数字化的三维深度传感(3D depth sensing)则更具挑战性。特别是用户与装置在现实世界还有物理移动时,同时定位与地图构建(SLAM, simultaneous localization and mapping)可能也会设计加入。三维深度感测的技术上,考虑到传感原理、传感距离、环境光、深度建构演算的复杂度等因素,飞行时间(time of flight ToF)可能比结构光(structured light)技术更为合适。不过,一般低端的 VR AR 装置可能不需要追踪或数字化真实世界。

AR VR 在显示部分则有不同的显示技术,这是取决于应用端使用时的环境与需求来决定。穿戴式 VR 装置通常会使用封闭的做法(occlusion),这种封闭的作法是为了提高使用者身临其境的体验(immersion)。同时,也正因为这种封闭的情境,使得显示时的考虑因素相对于 AR 来得简单些。穿戴式 AR 装置使用时主要的干扰来自环境光(可能超过 800 nits),或现实世界环境的复杂度在与 AR 显示重叠后,造成使用者不易辨识。例如:黑色不易在 AR 显示中表现,深色也可能与环境中的深色对象相混淆。对于采用「直接可视」(OST, optical see-through)的 AR 设备设计来说,现实世界与虚拟的 AR 显示是在波导光学元件(waveguide optics)相叠在一起的,前述的干扰情况较为显著。

另一方面,采用「摄入而视」(video see-through or passthrough)的设备(像是 VR 或是一些 MR 装置设计),现实世界是通过设备的前方镜头拍摄进入后,透过装置的影像运算后,才与虚拟世界相重叠。因此,干扰的情况透过影像与处理就可以改善。穿戴式 AR VR 装置有各自不同的应用与使用目的,并不是存在着相互取代的关系。例如:使用「摄入而视」的设备时,用户在现实世界中的移动能力、识别能力都会受限,但是「直接可视」的设备就较无这类限制。所以,穿戴式 AR VR 设备的发展,以及对显示技术的需求并不完全相同。另外,相对于 VR 需要穿戴产生封闭情境,AR 的产生并不一定都仰赖穿戴式装置,智能手机与车载上的抬头显示器(HUD head-up display)都可以产生 AR 的效果与应用。

用于 VR AR 应用的显示器

对于 VR 显示器,智能手机上已经相当普遍的 TFT LCD AMOLED 均适用于 VR 装置。不过,也有一些装置厂商采用硅基 OLED”OLEDoS, OLED on silicon or micro OLED),OLEDoS 有基于半导体 CMOS 硅的驱动电路,而不是基于 TFT 线路。因此,OLEDoS 有机会在解析度与大小上比 AMOLED 有更好的规格。VR 显示器设计可以是单显示器或双显示器,这两种做法都有厂商采用,主要是考量到成本、视野与穿戴时调整的舒适性等因素 。另外,光学透镜,如菲涅尔透镜(Fresnel lens),或是折叠镜头(pancake lens)被用来更好地聚集显示光传送到眼睛。对 VR 显示器的要求主要是更高的分辨率,以获得更高的每单位角度像素PPD, pixels per degree)和更低的纱窗效应screen-door effect)。

PPD 中的「角度」的是基于显示器和眼睛之间的夹角或视野(FOV, field of view)。越大的 FOV 可以提供越好的沉浸感。显示的无延迟(low persistence)是一项重要的规格,因为大多数 VR 应用的内容是 3D 运算渲染出来的电脑图像。通常 VR 显示屏会强调 90Hz 或是 120Hz 的刷新率(refresh rate)。然而,在实际设计 VR 装置时,需要在产品的营销定位上做一些折衷的考量;更高的显示规格意味着更高的显示成本、更高的功耗和更大的外形尺寸。例如,第一代的 Oculus 采用的是双屏设计的 3.5 1440×1600 AMOLED,更受欢迎的第二代却是单屏设计 5.5 3664×1920 LTPS TFT LCD,借此将成本与售价降低与提高市场渗透率。下一代的高阶产品可能又回复到双屏设计。

大多数 AR 显示器是基于硅线路的微型显示器(micro display),例如:微机电系统(MEMS)的微型显示技术,包括数字光处理(diigital mirror device, DMD  or DLP)、激光束扫描(laser beam scanning, LBS 用于 Microsoft HoloLens,以及自发光的硅基 LEDLEDoS, LED on silicon or micro LED)。在实际的光学设计中,用户并不是直接凝视微型显示器,而是透过附加的光学元件来观看,这与常见的平面显示器(例如:TFT LCD AMOLED)是相当不同的。早期的 AR 显示光学设计多半无法兼顾轻薄与显示面积,例如,Google Glass 的专利(US9013793)揭示了利用偏振分光棱镜(polarization beam splitter, PBS)的做法,将光线由微显示器引入具有一定厚度的棱镜中,而该光学元件则是位于用户的眼镜上。当前比较主流的作法是采用波导光学元件(waveguide optics),在薄度、造型上都比较令人满意。

使用这些穿戴式 AR 装置时,影像显示来自微型显示器发射;然后光线被引导进入波导光学元件中。波导光学元件是轻薄而接近透明的,所以使用者可以同时看到现实世界与虚拟世界的物件在波导光学元件中迭合。波导光学元件的作用原理有绕射(diffusion)或是全息(holography)等作法。不幸的是,光线通过波导后的损失几乎达到 99%,这样会使得微弱的光线在现实世界的强光反差之下更显得微弱、不明,因此,高亮度对 AR 显示器至关重要。总的来说,与 AR 显示器相比,VR 显示器的供应链、彩色技术已经相当成熟。这是因为已经大量生产的 LTPS TFT LCD AMOLED 显示器被广泛使用,而且许多面板厂商已经存在 ,像是 JDISHARP Samsung Display 等。

1:可穿戴装置的显示设计

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

VR AR 显示器的供应链

AR 显示器供应链之所以还不太成熟,有一些原因。首先,应用于穿戴式装置、成为微型显示器的制作难度与精度,绝对不下于一般的 TFT 显示器。再者,纵然有一些可应用的微型显示器技术,但是在光机大小、效能、彩色、成本等因素的考量之下,业界还未能有最佳的技术成熟度与共识。当然,更重要的是当前的穿戴式 AR 装置出货量实在太小,目前主要的应用多半是集中在垂直领域(例如:工业、医疗、军事等),无法说服制造商在供应链中增加投资和生产。而现在这个供应链中的许多制造商规模偏小,有些员工人数约仅 100-200 人, 而且设备的量产等级与 TFT 显示器行业完全不可同日而语。为了促进采用和生态系统发展,一些制造商相互合作,同时提供包含显示、光学和装置的参考设计,以鼓励更多的品牌开发产品。

AR 显示器的主要元器件是微型显示器和光学器件,两者是一个组合。LEDoS 的优势在于高亮度,即使经过波导光学元件的削弱(仅存 1% 左右),都有机会维持到 1,000 nits。但其 RGB 的彩色技术尚未成熟,尝试的技术方向包含色转(color conversion)、堆叠(RGB stacking)、组合(RGB chips in a cube)。相对地,OLEDoS 的彩色技术更加成熟,常见的是混出白光后透过彩色滤光片做法,但这种作法的光损较高。另外,也有一些作法是在 OLEDoS 的材料、堆栈(例如:Kopin Trio Stack)或是直接精细蒸镀(例如:eMagin dPd™)上着手。OLEDoS 比较适合 VR MR 这类的封闭设备设计,但其亮度值对于通过波导光学元件的 AR 设备(开放式设计)来说可能太低。LCoSLBS DMD 虽然光机相对于 LEDoS OLEDoS 较大,但是很重要的优点就是彩色化与高亮度实现是可行的,三者均可以通过激光光源来提高亮度值。

2AR VR 显示器供应链和制造商

Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

相对于 LEDoS 技术上尚待进一步的发展,OLEDoS 目前在供应链上的关系、串联已经略见雏形,而且既有的 TFT 生态体系的 AMOLED 面板厂也展现出了兴趣。在 TFT 生态体系中,DDIC(显示驱动芯片)与 AMOLED 制程(显示像素线路与蒸镀)是分开、各司其职的。DDIC 用于驱动显示面板,而面板厂则负责制造基于 TFT 的显示像素电路。然而,这不一定完全适用于 OLEDoS。与基于 TFT AMOLED 相比,OLEDoS 的供应链仍处于起步阶段。DDIC 芯片商和 OLEDoS 面板厂之间可能有更多的商业模式。

  • 第一种,DDIC 芯片商在晶圆上同时设计 DDI 和显示像素(display pixels)电路。然后,OLEDoS 面板厂则仅负责在晶圆上进行 OLED 蒸镀,并将其分割成 OLEDoS 芯片。DDI 线路和显示像素电路同时位在一颗芯片(die)上,成为了一种单芯片设计,而 DDIC 芯片商扮演着关键角色。
  • 第二种,DDIC 芯片商只提供 DDIC 芯片。此芯片可能是来自面板厂委托设计的芯片(ASIC),或者是 DDIC 芯片商的既有产品。不管哪一种,DDIC 与显示像素电路是分开的,而成为了一种双芯片解决方案。DDIC 可以贴合于显示像素芯片上,这种作法类似 TFT LCD 上的 COGchip on glass)。
  • 第三种,面板厂负责全部设计与制造,从 DDIC 到显示像素电路。这可能是一个单芯片或是双芯片解决方案,并强调了面板厂在供应链中的价值。关于单芯片或双芯片的 OLEDoS 仍有争论。通常,DDIC 电路需要更高级别的半导体工艺制程,如 28nm 40nm,特别是当解析度进一步拉高时。但显示像素电路则可能使用较低级别的工艺制程就可以满足,如 90nm um 级。如果两者的半导体工艺差距过大,单芯片设计不一定比双芯片设计更有成本效益。

目前 VR 装置的出货量明显高于 AR 装置,除了显示技术与供应链较为成熟外,应用端比较偏向消费性市场也是重要因素。VR 在游戏、虚拟社交的潜力很容易就看出来。不过,在吸引了初期的玩家后,最终未必多数的消费者都有兴趣长时间戴上厚重的装置,进入一个虚拟世界里。对于 AR 市场的腾飞起点,知名品牌将起最重要的作用。穿戴式 AR 装置系统可能比智能手机更为复杂,无论是显示、光学还是运算。而另一方面,用户却未必愿意接受与高阶智能手机一样的价格。只有知名品牌才能平衡性能、技术成熟度、外形尺寸和 BOM 成本等因素,进而拉动整个生态体系与供应链的成长。

来自: Omdia

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