Micro-LED 應用于近眼顯示的現狀與趨勢

周自平，黎 垚，嚴銀菓，江昊男，陳恩果，2*，徐 勝，2，葉 蕓，2，孫 捷，2，嚴 群，2，郭太良，2

（1.福州大學物理與信息工程學院平板顯示技術國家地方聯合工程實驗室，福建 福州 350108；2. 中國福建光電信息科學與技術創新實驗室（閩都創新實驗室），福建 福州 350108）

1 引 言

近年來，顯示器件作為最關鍵的信息獲取媒介，在第三次革命之后得到了迅速的發展，從笨重的陰極射線管發展到現在緊湊的平板顯示技術，例如液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、量子點發光二極管（Quantum Dot Light Emitting Diodes，QLED）、微發光二極管（Micro-LED）等。隨著顯示技術與通信技術的飛速發展，對高質量的視頻和圖片的要求越來越高，因此對于沉浸式的視覺體驗的需要也逐步提升。

頭戴式顯示器（Head Mounted Displays，HMDs）也稱為近眼顯示器，是實現沉浸式增強現實（Augmented Reality，AR）、虛擬現實（Virtual Re?ality，VR）的重要設備。早在20 世紀50 年代，AR和VR 就已經應用在國防領域［1］，而隨著2021 年“元宇宙”概念的提出，近眼顯示設備被認為是元宇宙的門戶而成為了研究熱點。

近眼顯示系統中可作為光學引擎的微顯示屏有硅基液晶（Liquid-Crystal-on-Silicon，LCoS）顯示器、數字光處理（Digital Light Processer，DLP）顯示器、Micro-OLED、Micro-LED 等。Micro-LED技術由S. X. Jin 等人于2000 年首次提出［2］，此后世界上各大公司和研究院所對Micro-LED 顯示展開了大量的研究。對比于傳統顯示技術，Mi?cro-LED 擁有出色的亮度、高發光效率、低能耗、高反應速度、高對比度、超高解析度與色彩飽和度等，被認為是理想的顯示技術。Micro-LED 具有LED 所擁有的大部分優點，還具有體積小、易拆解、靈活度高的特征，可以覆蓋絕大多數的顯示 應 用 場 景［3］。在2021 年CES 展 會 上 三 星The Wall 系列產品再次升級，其擁有大約2 400 萬個可單獨、主動式發光Micro-LED 光源，BOE 也展示了采用玻璃基板主動驅動方式的Micro-LED顯示產品，無不凸顯著Micro-LED 顯示產業的關注度。

相對于大面積Micro-LED 顯示產品，近眼顯示中Micro-LED 的應用也已經開始出現原型產品，并且在AR 顯示中嶄露頭角。Vuzix 公司發布了以Micro-LED 為光學引擎的AR 眼鏡，所采用的是光波導加Micro-LED 光源的形式，其外觀更接近于傳統的普通眼鏡。光波導是極佳的近眼3D 顯示載體，可通過光學元件形成雙目視差來實 現 近 眼 的3D 顯 示。2021 年，Snapchat 的 母 公司Snap 推出了AR 智能眼鏡，可以將3D 效果映射到佩戴者的周圍環境。同年雷鳥創新、小米科技、OPPO 等科技公司均發布了自己的AR 智能眼鏡，其方案都是Micro-LED 與衍射光波導結合來實現AR 顯示。

在Micro-LED 和近眼顯示技術迅猛發展的背景下，本文旨在梳理Micro-LED 的研究進展，并總結其在近眼AR 顯示中的發展現狀，對比分析Micro-LED 應用于近眼顯示的優劣勢，最后，對Micro-LED 應用于近眼顯示的未來發展進行展望。

2 Micro-LED 研究進展

2.1 Micro-LED 技術的發展

Micro-LED 技術源于美國貝爾實驗室微盤激 光 器 技 術［4］，2000 年Jin 等［2］人 首 次 制 備 了Ⅲ族氮化物的Micro-LED；2004 年Jeon 等［5］人則提出 了20 μm、64×64 陣 列 的 紫 外Micro-LED；2009 年劉召軍等［6］人報道了使用倒扣焊集成技術制備了8×8 的Micro-LED 的有源驅動陣列，并且在2011 年使用了三色熒光粉實現了Micro-LED 的 全 彩 化 顯 示［7］。在 顯 示 應 用 方 面，索 尼公司于2012 年首次推出了139.7 cm（55 in）的Micro-LED 顯示屏；2015 年Han 等［8］人報道了采用UV 光激發量子點實現全彩化的Micro-LED；2020 年Kim 等 人［9］提 出 了 一 種 有 效 的 技 術，通過傳統的光刻技術，使用光固化丙烯酸和納米有機變色材料的混合物，在藍色Micro-LED 上沉積顏色轉換層。同年Liang 等［10］人綜述了全彩化的Micro-LED 研究進展，并且采用量子點色轉換層制備了高色域的全彩化Micro-LED。2022 年南方科技大學與香港科技大學及中國科學院蘇州納米所組成的團隊制備了不同規格的深紫外Micro-LED 器件，其中10 μm×10 μm的深紫外Micro-LED 在連續波發光情況下，最高亮度達到了185 W/cm2，最高的外量子效率達到了3.43%［11］。

通過Google 學術的搜索分析，Micro-LED 相關文章的搜索數量從2000 年開始逐漸增長。從2006 年開始，該領域更是呈指數級增長，2021 年共計出版文章7 000 多篇。目前，幾乎所有科技企業都將Micro-LED 技術視為下一代的顯示技術。圖1 為近幾年Micro-LED 的關鍵性研究進展節點。雖然Micro-LED 在顯示方面有著顯著的優勢，但隨著Micro-LED 芯片尺寸的減小，Micro-LED 的制備在外延生長、全彩化、巨量轉移、檢測技術等方面仍然存在著一些瓶頸。并且Micro-LED 的良率問題、發光效率、波長一致性還沒有達到全彩化顯示的要求［12］。

圖1 Micro-LED 發展歷程圖Fig.1 Development history of Micro-LED

2.2 Micro-LED 的結構與工藝

Micro-LED 的制備工藝與傳統的LED 制備工藝有一定的相關性［13-14］。Micro-LED 的襯底可以是硅（Si）襯底、碳化硅（SiC）襯底、藍寶石襯底等，以基于藍寶石襯底生長的GaN 基頂發射的Micro-LED 為例，圖2（a）展示了一種制備單個Micro-LED 的 方 法［15-17］。首 先，通 過 金 屬 有 機化學氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD）在藍寶石襯底上進行了Micro-LED 的外延生長。該外延結構包括非故意 摻 雜 的GaN 緩 沖 層、n-GaN 層、InGaN/GaN多量子阱（Multiple Quantum Well，MQW）區和p-GaN 層，之后通過電子束蒸發或磁控濺射在p-GaN 層表面制備出銦錫氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）薄膜，ITO 起著電流擴散層的作用，具有低電阻率和高透光率的特點。其次，通過電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蝕外延晶片，并對其進行熱退火，形成p-GaN 的p 型歐姆接觸。通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）沉積SiO2鈍化層以分離p 型電極和n 型電極。最后，通過濺射在n-GaN層的表面上沉積Ti/Au 層作為n-pad。與制備n型電極類似，Ti/Au 沉積在ITO 層上以形成p-pad。

Micro-LED 陣列可通過不同的制備方法獲得，根據尋址方式可分為被動尋址和主動尋址。圖2（b）給出了一個典型的無源尋址Micro-LED陣列的示意圖。每個像素分別連接p 型金屬線和n 型金屬線，由掃描行電極和柱電極驅動［18］。此外，簡單的有源尋址Micro-LED 陣列的原理圖如圖2（c）所示。每個Micro-LED 都有一個公共的n觸點和一個獨立的p 觸點用于單獨尋址［19］。

圖2 （a）單氮化鎵基頂發射Micro-LED 的工藝示意圖；（b）無源尋址微型LED 陣列示意圖；（c）有源尋址Micro-LED 陣列示意圖。Fig.2 （a）Schematic illustration of the process of a single GaN-based top-emission Micro-LED；（b）Schematic illustration of the passive addressing Micro-LED array；（c）Schematic illustration of the active addressing Micro-LED array.

2.3 Micro-LED 面臨的挑戰

2.3.1 顯示屏的制備

Micro-LED 顯示屏的制備是實現近眼顯示設備的基礎，其制備工藝首先要將大量Micro-LED 晶粒組裝成Micro-LED 陣列，然后將這些單元陣列轉移到接收基板上，再通過單片異質技術集成到光電系統中［20］。根據屏幕尺寸的不同，Micro-LED 可以單獨、分組或作為整個陣列進行組裝和轉移［21］?；诖蟪叽缙聊唤M裝的巨量轉移技術是將襯底上的Micro-LED 磊晶單獨或分組地拾取并轉移到帶有驅動電路的基板上。用作近眼顯示設備的Micro-LED 屏幕尺寸較小且應具備較高的像素密度，通常選擇適合小型顯示的單片集成技術來制造此類小間距Micro-LED顯示屏，如圖3 所示，直接將數十萬個Micro-LED的完整單片陣列與背板混合集成來實現［22］。

圖3 單片集成制造流程圖Fig.3 Monolithic integration manufacture

單片集成技術的原理是將襯底上小間距磊晶與兼容該間距的有源矩陣驅動電路通過焊接集成在一起［21］。在這個過程中需要將每個單獨的LED 磊晶焊接到有源矩陣的相應焊盤上，對齊和鍵合是這兩個獨立元件集成的重要因素。目前已有的單片集成技術包括金屬布線、微管粘接和粘合劑粘接等［23］。金屬布線是比較常規的集成技術，主要采用共晶的方式對倒裝芯片進行焊接［24］，該技術的關鍵是共晶材料的選擇和焊接溫度的控制，但鍵合時較高的溫度可能會對Micro-LED芯片造成損傷，且工藝成本較高。Jiang［25］等人使用共晶技術將倒裝芯片鍵合到15 μm 以下間距的驅動上進行顯示應用。倒裝芯片可靠的集成性對于提高成品良率是有利的，但與10 μm 及以下間距的電路不兼容限制了其發展，在接線與倒裝芯片鍵合時需要加熱，襯底的熱膨脹系數不同可導致熱失配造成器件損壞。微管粘接是由Leti公司提出技術方案［26］，適用于10 μm 左右間距的器件進行焊接，微管可以生長在Micro-LED 上作為焊接的媒介，也可以生長在背板上減少背板的制作難度。針對近眼顯示對高亮度、高像素密度微顯示器件的需求［27］，Templier 等人于2016 年實現了使用微管粘接技術集成像素間距為10 μm的Micro-LED 器件［28］，并進一步在2017 年 成 功 將 像素間距縮小為3 μm［29］。近年來，Micro-LED 器件的像素間距朝著更小的趨勢發展，并且出現了發光像素在1 μm 以內的LED 器件，即Nano-LED，這為高像素密度的近眼顯示提供了技術儲備［30-32］。粘合劑粘結技術是使用各向異性導電膜（ACF）通過熱壓工藝進行集成［33］。ACF 可以在Micro-LED 和底部電極之間產生牢固的附著力和相互連接，但由于ACF 自身結構的限制，無法滿足小尺寸的Micro-LED 鍵合需求，呈現出一定的局限性。盡管Micro-LED 在微顯示的集成技術已經取得了重大進展，但是集成技術的可擴展性仍然是其商業化道路上的挑戰。圖4（a）所示為利用銦凸點將硅CMOS IC 與Micro-LED陣列進行倒裝鍵合的橫截面示意圖，圖4（b）展示了膠粘劑鍵合技術，圖4（c）為顯示微管鍵合流程圖［34-35］。

圖4 （a）利用銦凸點將硅CMOS IC 與Micro-LED 陣列進行倒裝鍵合的橫截面示意圖；（b）膠粘劑鍵合；（c）顯示微管鍵合。Fig.4 （a）Cross-sectional schematic of flip-flop bonding of a Si CMOS IC to a Micro-LED array using indium bumps；（b）Adhesive bonding；（c）Display micro-tube bonding.

Micro-LED 的轉移技術也是顯示屏幕制備的關鍵，巨量轉移技術已經取得一些研究進展，包括抓取釋放法、自組裝法、激光轉移法等［36-37］。對于小尺寸Micro-LED 顯示，需要將組裝好的顯示陣列的藍寶石襯底進行剝離轉移，目前大多采用激光技術對襯底進行剝離。Optovate 公司提出一種圖案化激光剝離技術［38］，如圖5 所示，使用激光束照射在藍寶石晶圓的生長界面處，導致界面處發生光與物質相互作用，氮化鎵層被燒蝕分解成液態鎵和氮氣，從而釋放芯片與襯底脫離，集成到目標基板上，實現精準的顯示陣列。采用激光剝離的方式避免了對芯片的抓取，能有效提高轉移的精度和效率，但這種方法缺點也很明顯，在激光剝離過程中可能會使Micro-LED 芯片表面出現凹陷和裂紋等損傷，影響工藝良率。現有的轉移技術要在保證成本效益的條件下實現高精度、高良率的轉移還比較困難，是制約Micro-LED 商業化進程的瓶頸技術。

圖5 激光剝離轉移過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser-induced forward transfer

2.3.2 全彩化

近眼顯示設備需要Micro-LED 提供高分辨率、高像素密度圖像的同時，還需要全彩化的視覺效果來滿足沉浸性的體驗。Micro-LED 陣列實現單色顯示是通過倒裝結構封裝和驅動基板貼合實現，但要實現全彩顯示就相對復雜，大尺寸的屏幕可以分3次巨量轉移RGB 三色Micro-LED 晶粒來實現全彩顯示［39］，而小尺寸屏幕也可以采用UV/藍光LED 加上發光介質的方法實現色彩轉換［40］。該方法通過紫外或藍色等短波長的LED發光激發量子點或熒光粉材料的方式，可以在單一的InGaN/GaN 材料上實現RGB 發光，從而實現色彩轉換。發光材料的涂覆一般在Micro-LED 陣列與驅動電路集成之后。

目前使用的發光介質一般分為熒光粉和量子點，由于熒光粉粒徑較大，限制了其在小尺寸Micro-LED 上的應用。量子點是一種納米材料［40］，在藍光/UV 照射下會進行光致發光，且發光顏色與粒徑的大小有關。與普通的InGaN 藍光激發熒光粉合成白光的LED 不同，量子點被激發后易于調控出射光的發射波長，可以提供所需的色彩輸出。使用該方法獲得全彩顯示的主要挑戰是如何將發光介質精確地放置到子像素上，目前常采用旋轉涂布、霧狀噴涂技術來開發量子點技術，即使用噴墨打印技術噴涂出均勻且尺寸可控的量子點，裝置與原理示意圖如圖6 所示。將其涂覆在UV/藍光LED 上，其受激發出RGB 三色光，再通過色彩配比實現全彩色化［41］。由于量子點具有較窄的半峰寬和較寬的吸收光譜，并且很高的發光效率，應用在Micro-LED 顯示上會得到色彩純度與飽和度較高的畫面，因此小尺寸的Micro-LED 通過量子點技術進行色彩轉換是一種可行的方案［42-45］。

圖6 基于量子點的Micro-LED顯示全色發光的工藝流程Fig.6 Micro-LED display panchromatic luminescence based on quantum dots

目前，量子點技術存在著材料穩定性差、散熱要求高、壽命短且需要密封、顏色均勻性不佳、重吸收等問題［46］，限制了其應用于Micro-LED 色彩轉換，是目前Micro-LED 應用在近眼顯示設備進程中面臨的巨大挑戰。

除了制備工藝與全彩化的挑戰，Micro-LED應用于近眼顯示還需要關注其芯片發光效率隨著尺寸減小而急速下降的問題，以及潛在的環境光干擾與色差等問題［47-49］，并且其現階段的制造良率和所帶來的高成本問題也有待解決。

3 近眼顯示的發展現狀

3.1 人眼的視覺特性

舒適性和沉浸性是近眼顯示設備的評價指標，舒適性可以從穿戴舒適度上體現，比如近眼顯示器的重量、散熱、尺寸等方面都能影響穿戴的舒適度。視覺舒適度也是評價近眼顯示器舒適感的一部分，在大視場、高分辨率和自然的畫面情況下能有效提高視覺的舒適度，近眼顯示設備的沉浸性可使使用者身臨其境。為了應對舒適性和沉浸性的挑戰，需要對人類的視覺特性與局限性有深入的了解，圍繞以人類視覺系統為核心的光學設計過程則顯得尤為重要。

人眼是一個優秀的高動態感光系統，能實時處理5 個數量級以上的照度，并且具有長時間適應能力，最多可以感受到10-3～104lx 的寬域照度［50］。因此為了再現真實的場景，近眼顯示設備需要滿足高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）［51］。為了實現HDR，顯示器需要有高峰值的亮度（Lp>1 000 cd/m2）和較暗的狀態（Lp<0.01 cd/m2），因此對比度是一個非常關鍵的參數［52］。VR 眼鏡要求沒有環境光的干擾，且抑制VR 設備內部的雜散光，使得對比度達到1 000∶1以上。但是對于AR 系統來說，要考慮環境光的影響，在室外環境光比較強的情況下，則需要AR 系統能夠提高更高的亮度。

3D 顯示技術利用了人眼存在的雙目視差，由于兩個瞳孔存在著距離，使得左右眼視網膜上所成的像稍有差異，經過大腦的處理，可以感受到立體的圖像［53-55］。3D 顯示技術可以通過控制顯示設備使不同視角的圖像進入兩眼，獲得深度信息。然而大多數的VR 系統通過平板顯示的方式生成圖像信息，這將產生輻輳調節沖突（Vergence-Acommodation Conflict，VAC），如 圖7 所 示。VAC 指人眼在觀察3D 顯示屏時，單眼所獲得的焦點距離與雙眼會聚過程所產生的距離不相同，從而導致感知上的混亂與視覺上的疲勞和不適應［56］。

圖7 （a）輻輳調節沖突原理圖；（b）正常情況下的會聚距離與焦點距離示意圖。Fig.7 （a） Vergence-acommodation conflict schematic；（b）Schematic diagram of vergence distance and accommodation under normal conditions.

如圖8 所示，人眼的單眼視場（Field of View，FOV）大約為水平160°和垂直130°，兩眼相結合的水平視場角大約有200°，水平相重疊的區域大約有120°［57］。對于AR 系統來說，現有的AR顯示器的視場大小尚不能滿足人眼視覺系統的需求，換句話說小視場的近眼顯示器對沉浸感的影響很大，其所面臨的主要問題還是如何擴大視場。但是對于VR 近眼顯示器來說，目鏡的f/#值決定了其孔徑，而焦距的縮放則可以改變FOV。假定顯示屏的總像素是固定的，則像素密度和視場之間將有一個權衡，更大的視場將導致像素密度下降，導致紗窗效應（Screen-door Effect）或者看到明顯像素點邊界，降低了沉浸式體驗［58］。全息光學元件（Holographic Optical Elements，HOEs）等新型的光學元件為該問題提供了可能的解決方案。例如，2018 年Tan 等人［58］基于HOEs設計了一種高分辨率區域可移動的近眼顯示器，其關鍵的Pancharatnam-Berry 光學元件可追蹤眼球并切換相應的顯示區域，從而有效解決了紗窗效應［59-66］。正常人眼視覺的分辨率能達到60 PPD，在這個分辨率下當需要110°的視場時，其顯示器需 要 超 過6K×6K 的 像 素［67］。2022 年 福 州 大 學團隊利用有序分子自組裝技術結合轉移印刷技術制備了像素密度高達25 400 PPI 的超高分辨率的QLED，為近眼顯示提供了高密度顯示屏的解決方案［68］。由于人眼的高分辨率僅存在于中央凹區域，脫離這個區域視力急劇下降［69］。因此只有在中央的區域才需要高分辨率，這就提出了中央凹顯示（Foveated Display）技術的概念［70］。在中央凹顯示技術中，整個觀察區域的顯示分辨率是不同的，可以通過兩個不同的面板相組合來實現，但是卻增大了近眼顯示設備的大小，而Micro-LED 顯示技術有高的分辨率和小體積，并且壽命長的優勢，應用于近眼顯示設備更有利于實現這種技術。

圖8 人眼的視場范圍Fig.8 Feld of view of the human eye

3.2 近眼顯示的光學架構

隨著智能手機的發展，形成了AR 和VR 的熱潮，并且得益于芯片的發展，近眼顯示的功能也越加完善和豐富，將AR/VR 相結合，既可以在真實的世界上疊加虛擬的信息，又可以完全地展示虛擬的畫面，稱為混合現實（Mixed Reality，MR），或稱之為擴展現實（XR）［71］，圖9 展現了虛擬現實的圖譜關系，從完全的現實到純粹的虛擬［72］。

圖9 虛擬現實圖譜Fig.9 Reality-virtuality spectrum

與VR 顯示器不同的是，AR 顯示器由光學引擎與光學組合器組合而成，光學引擎作為顯示圖像的來源，而光學組合器將顯示的圖像傳送到人眼，并傳輸環境光。FOV、動眼框（Eyebox）、傳輸效率及MTF 等參數主要取決于光學組合器，圖像亮度、整體效率和形狀大小等屬性受到了整體結構的影響。北京航空航天大學、天津大學、上海交通大學、中山大學、北京理工大學、浙江大學等國內高校均開展了這方面的研究［73-80］。圖10 所 示 為 幾 種AR 顯 示 設 備 的 光 學組合器。

圖10 不同類型的AR 光學組合器Fig.10 Different types of AR optical combiners

在AR 顯示設備中，光學架構一般可分為自由曲面型（Freeform）和光波導型（Waveguide）。自由曲面AR 顯示具有較好的光效率和均勻性，但通常體積較大，在保證觀看效果時，需要在FOV 和Eyebox 大小之間保持平衡。相反，光波導型的AR 設備形狀較小，可以通過出瞳孔擴展（Exit Pupil Expansion，EPE）過程放大系統的視野范圍，對于光波導AR 顯示器通常使用立體顯示器或變焦/多平面顯示器來實現3D 顯示。光波導因其外觀更接近于眼鏡，相比于其他光學組合器兼顧了靈活性與性能，近幾年受到了大量科研院校與機構的研究，并成為AR 顯示設備的主流光學元件。2021 年，Darkhanbaatar 等人［81］通過使用光聚合物微反射鏡陣列取代表面浮雕光柵（Surface Relief Gratings，SRGs）與 體 全 息 光 柵（Volume Holographic Gratings，VHGs），利用全息微鏡陣列作為耦入元件，從顯示的元素圖像集重建三維圖像，并保留了現有全息波導型AR 系統的主要優點，該系統結構如圖11 所示。基于集成成像生成的元素圖像由微顯示器顯示，元素圖像經過全息微鏡陣列重構3D 圖像，重構后的3D 圖像的非相干光束在波導內經過反射后，到達耦出元件，最后反射至人眼。

圖11 3D 透明AR 顯示系統原理圖Fig.11 3D see-through AR display system

當光在波導內傳播時，波導的折射率決定全內反射（Total Internal Reflection，TIR）角，并且耦合元件會影響視場角與色彩均勻性。幾何陣列波導由多個部分反射面組成，通過多層部分反射面將波導內部傳輸的光反射入人眼，每一層的部分反射面形成一個出瞳可以實現EPE，但幾何陣列光波的TIR 角限制了其FOV，且噪聲問題難以改善，使得出光分布不均，并且制備工藝相對復雜，良品率較低。表面浮雕光柵波導利用SRGs 作為耦合元件，將光耦入或耦出光波導。而不同波長的光線易被其他波長對應的光柵結構所衍射，形成串擾?？赏ㄟ^設計多層光柵結構來解決此問題，如微軟Hololens 2使用了兩層光柵結構實現全彩化。波導中最關鍵的部分是耦入/耦出光學元件，體全息光柵波導中的HOEs 可在任意波前記錄和重建中表現出獨特的特性［82-83］，可作為光柵、擴散器、透鏡被廣泛應用于近眼顯示系統，并且成為AR 設備光波導耦合元件中的最佳候選者［84-88］。3 種近眼顯示平面光波導的光學架構如圖12 所示，分別為幾何陣列光波導、表面浮雕光柵波導及體全息光柵波導。

圖12 （a）幾何陣列光波導結構圖；（b）表面浮雕光柵光波導結構圖；（c）體全息光柵光波導結構圖。Fig.12 Schematic of（a）the geometric waveguide with transflective mirror array，（b） the diffractive waveguide with surface relief gratings，（c）the diffractive waveguide with volumetric holographic gratings.

3.3 近眼3D 顯示

人們對于逼真視覺體驗的需求推動了當前二維圖像從平面屏幕向三維場景的轉變。第一個3D 技術可追溯到1838 年，由Charles Wheat?stone 提出，這項技術被稱為立體視覺。最初雙目深度感知是通過兩片反射鏡向觀察者的左眼和右眼反射兩個偏移圖像來實現的。之后在20 世紀初，通過利用視差屏障、集成攝影以及透鏡的方式實現了可容納更多深度信息的3D 顯示方法［89-91］。1948 年，Dennis Gabor 發現了全息顯示技術的原理［92］，這項技術最初被用于提高電子顯微鏡的分辨率。直到1960 年，激光的發明標志著光學全息技術的開始。在過去的30 年里，LCD、OLED、LCoS 等平板顯示器的發展，加速了3D 技術的發展，并逐漸將光學架構轉變為可穿戴設備［93-96］。

得 益 于VR 技 術 的 迅 速 發 展，Oculus、Hua?wei VR Glass、Pico 等 部 分VR 設 備 價 格 也 比 較低廉，但AR 設備的生產成本卻較高。目前大多數的AR/VR 設備都是通過立體視覺來實現3D顯示，這種方式存在VAC 的問題。自21 世紀初以來，人們提出了許多方法來解決這一關鍵問題，包括多焦/變焦顯示、全息顯示、集成成像（Integral Imaging）顯示或麥克斯韋視圖顯示［97-102］。多焦顯示器以不同深度呈現多幅圖像，以模擬原始3D 場景?？勺兘咕囡@示器則在每個時間幀僅顯示一幅圖像，圖像深度與觀察者的聚集深度相匹配。

基于平面成像的近眼3D 顯示系統一般是指通過利用一個或多個平面形成近眼3D 顯示的光學系統。通過一個固定平面形成3D 顯示存在VAC 的問題，而變焦顯示器雖然一次只生成一個焦平面，但是聚焦深度隨輻輳距離而變化，并可通過眼動儀檢測到［103］。多焦平面顯示是AR應用中較為常用的顯示技術，多焦平面解決方案可以分為兩類：深度生成方法和信息復用通道。通過改變物體距離或系統的光功率來實現多焦平面，可以區分為基于距離的系統和基于功率的系統，并且可以通過同時調節光學距離與系統光功率實現多焦平面顯示設計［104-105］。在信息復用通道的方法中，通常需要高信息流率才能通過添加另一個空間維度將2D 顯示器擴展到3D 顯示，這通常通過多路復用過程來實現［106］。用于疊加虛像平面的信息通道有4 種，包括空間、時間、偏振和波長。

空間復用允許直接構建多焦平面的顯示器。在20 世紀末，Rolland 等人提出了一種通過將14 個平面間距離均勻的透明顯示器疊加，形成一種多焦平面的顯示，其原理如圖13（a）所示［107］。雖然這種設計在非球面顯示器件中難以實際應用，但它指出了一般多焦顯示器件的設計原則，如焦平面數、焦平面間距和分辨率要求等。光學組合器疊加可以通過疊加分束器、棱鏡和光波導等光學組合器，而不是直接疊加顯示器或投影屏幕 來 實 現3D 顯 示。最 初 由Akeley 等 人［108］提 出并設計了具有3 個焦平面的多焦顯示器模型。如圖13（b）所示，利用堆疊的分束器將LCD 面板分成3 個子面板，形成3 個焦平面，也可通過疊加更多的自由曲面棱鏡來實現空間復用［109］。但這些模型的體積都較大，并不適合真實的應用場景。

對二維圖像偏振復用的概念最早由Lee 等人在2016 年提出，通過對液晶面板像素級的偏振調制，為二維圖像創造深度信息［110］。2018 年Zhu等人提出了空間復用與偏振復用同時進行的多焦平面顯示器，將兩個LCD 面板級聯，創建兩個獨立的深度［111］。如圖13（c）所示，通常偏振復用的多焦平面顯示由顯示面板、偏振器和一個偏振相關光學元件組成。

波長復用的多焦平面系統概念由Zhan 等人提出［112］。其原理如圖13（d）所示，通過將兩個具有不同波長的激光投影機在屏幕上投射出兩幅圖像，并被濾波器分為兩個深度，形成3D 效果。雖然這個簡單的設計驗證了通過波長多路復用提供多個焦平面的可行性，但在實際應用中仍然存在許多挑戰。如在每個顏色通道中混合波長會直接影響色彩表現，并且濾波器的角度要求較高。

圖13 （a）透明顯示器疊加；（b）光學組合器的疊加中分束器的堆疊；（c）偏振復用多焦平面顯示；（d）波長復用的多焦平面顯示。Fig.13 （a）Transparent display stack；（b）Stacking of beam splitters in stacking of optical combinators；（c）Polarizationmultiplexed multi-focal-plane display；（d）Wavelength-multiplexed multi-focal-plane display.

集成成像利用透鏡或針孔陣列等周期性光學結構，將光的空間信息從二維元素圖像轉換為具有空間和角度信息的三維光場［113-114］。在這個過程中，空間分辨率被用來提供角度信息的多視圖通道。可以通過采用快速掃描鏡或高幀率空間光調制器（Spatial Light Modulator，SLM）來臨時創建多視圖，其中高速顯示和視點轉換設備是多視圖結構的關鍵［115-116］。近年來，大量基于HOEs 的集成成像系統被報道［117-119］。具有光學透明度的HOEs 可以實現透視功能，同時顯示3D圖像。

全息顯示被認為是一種真正的3D 技術，其可以通過再現三維物體發出的光的振幅和相位信息實現3D 顯示［120-123］。傳統的光學全息術利用光干涉將真實物體的波前記錄在膠片上，然后投射參考光束來再現三維虛擬物體。與光學全息相比，計算機生成全息具有靈活的波前控制和實時圖像更新功能，因此在近眼顯示中得到了廣泛關注［124］。

盡管全息技術被冠以終極3D 顯示的名號，但在商業AR/VR 產品的實際應用方面仍有很長的路要走。當前其主要的技術障礙包括激光散斑導致的圖像分辨率下降，SLM 有限的空間帶寬積（Space-bandwidth Product，SBP）造成的FOV 和Eyebox 大小之間的權衡，以及對計算全息方法（Computer-generated Holography，CGH）快速實時計算的高要求［125-127］。目前可以通過高級衍射光等多種方法增大視場，并且已有有效的方法抑制散斑效應［128-130］。此外，激光也可以被部分相干光源替代，如Micro-LED［131］。

4 Micro-LED 用于近眼顯示的優勢

VR 系統中沒有環境光的干擾，所以僅需考慮對比度，而在AR 系統中，有外界的環境光干擾，因此需要考慮的是AR 系統的環境對比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）。ACR 的 定 義如下［132-133］：

其中，T是顯示透射率，Lon（Loff）表示在開（關）狀態下的顯示亮度（cd/m2），Lambient表示環境光明亮程度，通常是以照度（lx）為單位，但是為方便計算，這里將照度除以π 轉換為亮度單位［134］。通過式（1）可知，如果在較亮的環境中，比如室外環境下，要使人眼接收到清晰的圖像，對光學引擎的亮度要求比較高。即使對于對比度相對較高的顯示器（CR>100），在環境光較強的狀態下也容易導致內容無法識別。一般要求可識別圖像的最小ACR 為5∶1［134］。要改善近眼顯示設備的ACR，最直接的方法就是提高顯示屏的亮度。

目前，近眼顯示中常用的光學引擎有硅基液晶（LCoS）、DLP、Micro-OLED 及Micro-LED。其中LCoS 顯示器通過反射進行光控制，由于結構相對簡單，使用半導體制造工藝來實現，分辨率密度可達4 000像素/英寸，亮度可達30 000 cd/m2，并且有產生全息圖像的潛力，近年來LCoS 技術已經在眾多的AR、VR 設備中使用，如Google Glass、HoloLens 等［132］。但是由于LCoS 需要偏振分束器，使得其體積不能再進一步降低，并且由于驅動的復雜性進一步限制了其廣泛的應用［135］。與LCoS 相似，德州儀器公司的DLP 也是一種反射式顯示，能達到LCoS 的亮度，DLP 技術基于DMD 數字微鏡結構，通過精確控制每個微鏡的偏轉角度來實現成像［136］。相比之下DLP 體積比LCoS 小，但是也需要較大的反射光路。

在LCoS 被應用于近眼顯示之后，Micro-OLED 微顯示器應用于近眼顯示設備也受到了極大的關注［137］。Micro-OLED 結構包括了硅基CMOS 背板、OLED 器件，陽極金屬、陰極和薄膜封裝、彩色濾光片和蓋玻片等［138］。近眼顯示設備要求有更高的分辨率實現逼真的圖像，因此這樣的實現方式比通過陰影掩模對蒸發的發射器進行直接彩色圖案化更為有利［139］。Micro-OLED與LCoS/DLP 相比，有著較小的尺寸，并且亮度水平能達到103～104cd/m2，但是隨著亮度的提高，相對應的是 其壽命的減少［140］。OLED 是由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）控制的直流電流驅動，因此TFT 的退化會也會降低亮度，縮 短Micro-OLED 的 壽 命［141］。由 于Micro-OLED 的有機發光材料的特性，快速老化、壽命短、色純度低等缺陷也逐漸暴露出來。因此，不論是LCD、LCoS、DLP、Micro-OLED 都有其固定的技術局限性。

相比于其他幾種顯示技術，Micro-LED 技術因在較低的功耗下能達到高的亮度、具有高對比度、響應時間較短、色域寬等優點，其應用于近眼顯示有著一定的優勢。經典的Micro-LED 結構是由直接帶隙半導體材料制成的PN 結二極管，當Micro-LED 處于正向偏置狀態時，來自半導體導帶的電子與價帶中的空穴重新結合，從而發出單色光的光子，通常Micro-LED 的最大半峰全寬線寬為20 nm，并能夠提供超過140% NTSC的高度色彩飽和度［142］。在最近的Micro-LED研 究 中，Micro-LED 尺 寸 為63.5 cm（25 in）、300 A/cm2時的亮度可以達到2.89×106cd/m2的峰值亮度，并且有真正的黑色狀態，分辨率可以達 到5 000 PPI［143］。Micro-LED 相 比 于 其 他 光 學引擎的參數對比如表1。

表1 近眼顯示設備中幾種光學引擎性能對比Table 1 Comparison of the performance of several optical engines in near-eye display devices

5 總結與展望

近眼顯示光機和光學組合器的尺寸對于使用體驗不可忽視，就當前的研究進展來看，Micro-LED 與光波導所組合成的AR 顯示設備最接近眼鏡形態，舒適度較高。Micro-LED 高對比度、響應時間較短、色域寬等優點為未來近眼顯示提供了無限的可能，但是Micro-LED 的屏幕制備、全彩化等問題是目前面臨挑戰。人眼的視覺需求也為近眼顯示提供了定量的標準，同時也指出了當前需要解決的主要問題，如FOV、分辨率、VAC、顯示亮度和效率等。近眼顯示中的AR 顯示也面臨諸多挑戰，所要解決的不僅是滿足人眼視覺性能，還有如何更高效率、小體積地提高顯示效果等問題。通過對比各類型微顯示器件的相關參數，Micro-LED 都有著一定的優勢。此外，Micro-LED 不僅可以在柔性、可彎曲、可伸縮的基板上制備［134］，而且已被驗證可以實現透明顯示［145］，這有望結合多平面顯示應用在近眼顯示中解決VAC 問題。鑒于未來近眼顯示需要復雜的硬件以及龐大的數據量以支持多維交互，Micro-LED 以其高密度、高亮度、高效率的特征，有望結合三維圖像采集、觸覺感知和輸入、光學技術、信號集成技術等，實現一種具有真三維空間顯示的高度集成半導體顯示系統［146］。隨著顯示技術、Micro-LED 微顯示技術和光學技術的發展，未來的近眼顯示設備必然會更加小巧和舒適，有望隨著“元宇宙”的概念在大眾消費者中普及開來。