增强现实（AR）和虚拟现实（VR）头显中的微显示技术

摘要

增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术通过带有微显示屏的头戴设备实现了互动式和沉浸式用户体验。由于 AR 眼镜或 VR 头显距离眼睛较近，这些微显示器必须拥有更优越的像素密度、亮度、对比度和响应时间。为满足增强现实和虚拟现实的需求，光引擎中的先进微显示技术如硅基液晶（LCoS）、硅有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）等，已出现，通常与自由空间、自由形态或波导合路器等光学元件集成。在本视角中，我们将探讨增强现实和虚拟现实微显示器的关键需求，考察每种光引擎技术的优势，并讨论如何准确表征其性能。我们还研究了 LCoS、OLEDoS 和 LEDoS 技术如何与互补的金属氧化物半导体（CMOS）背板集成，并与增强现实显示中的光学组合器结合，将虚拟图像与现实场景融合。

要点

· 用于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用的头戴式显示器和近眼显示器需要高像素密度和高亮度，以及视场、眼箱、角分辨率和对比度的适当平衡，且具备轻量化的机型。

· 三项领先的AR和VR微显示器光引擎技术已出现，均采用硅-CMOS（互补金属氧化物-半导体）背板：硅基液晶（LCoS）、硅有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）。

· LCoS 是一种反射式显示器，使用无色彩滤镜的外部高功率照明源，能够实现高像素密度和高亮度，但会因偏振和反射过程而遭受光学损耗。

· OLEDoS 是一种自发光显示器，结合了高对比度和宽色域，且制造简便，但亮度对增强现实显示器来说有限。

· LEDoS 是一种自发光显示器，具有高亮度和对比度，寿命较长，但不成熟的制造工艺导致制造成本高昂。

· 新技术被开发出来以表征这些微显示器的性能，并且出现了一种新型光学合路器——波导合波器（Waveguide Combiner）——用于AR微显示器。

引言

沉浸式技术的快速发展正推动增强现实（AR）和虚拟现实（VR）应用中头戴式和近眼显示器的开发(图1a)。随着AR和VR在医疗保健、教育和娱乐等领域的日益普及，对紧凑且高像素密度的显示器提出了需求，以提供高质量的体验。然而，尽管大规模显示技术取得了进展，AR和VR技术中微型显示器的关键要求仍然难以满足。考虑到人类视觉敏锐度和AR或VR屏幕与眼睛的近距离，这些微型显示器必须比传统显示器实现更高的像素密度，以减轻“纱窗效应”（SDE）——即消除可见的像素结构——并确保生动且高保真的视觉体验。高对比度和亮度也同样重要，特别是对于AR应用，需要在包括明亮户外环境在内的环境光条件下提供清晰易读的图像。其他要求还包括快速响应时间、宽动态范围、宽广的色域以及适合长时间舒适使用的紧凑轻量化设计（或“形态设计”）。

在增强现实和虚拟现实应用中，出现了三种主要的微显示技术（见图 1b）：硅基液晶（LCoS）、硅有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）。LCoS 利用液晶层通过偏振控制调制来自外部光源的光。OLEDoS 由直接沉积在硅上的自发光有机材料组成背板和 LEDoS 集成了基于无机半导体的微米级发光二极管，简称“微型 LED”。每种技术都有其独特优势：LCoS 通过顺序色彩作提供高分辨率，OLEDoS 以紧凑的外形提供出色的对比度，LEDoS 则展现出更优越的亮度和可靠性。

为了推进AR和VR应用中的这些技术，需要一种涵盖材料科学、器件制造、背板电路设计、光学系统集成和先进表征方法的综合方法。在本视角中，我们首先概述了AR和VR微显示器的需求，随后探讨 LCoS、LEDoS 和 OLEDoS 技术的各自优势与局限性，同时讨论了一些克服现有限制的创新方法。我们还引入了互补的金属氧化物半导体（CMOS）背板技术，能够精确控制这些微尺度显示元件并支持高速刷新率——这两者对于提供沉浸式的增强现实和虚拟现实体验至关重要。最后，我们提出了对单个微米级像素和微显示面板进行精确表征的方法，并讨论了光学合路器的使用。

AR和VR显示的技术要求

AR和VR显示器安装需在用户眼前，必须针对人类视觉系统进行定制。因此，AR 和 VR 应用中微显示器有特定的技术要求，详见表 1。

视场

视场（FOV）是虚拟图像可见的角度区域（见图 2a）。为了提供无缝的三维体验，视野应与人类视觉高度对齐，单眼视野约为水平 160°、垂直 130°，双筒视觉为水平 200°、垂直 130°，水平重叠区域为 120°。另一个重要参数是“眼盒（Eyebox）”（见图 2a），它定义了用户在不出现“暗角”（边缘亮度降低）的情况下看到完整图像的三维区域。更大的眼盒意味着不同耳机用户之间瞳距的差异可以容忍，头显微微移动也能增强使用时的稳定性。然而，由于光学系统中étendu 守恒，更大的眼盒会减少视场角;相比之下，较宽的视场会缩小眼镜，从而限制眼睛和头部运动的灵活性。因此，在视场角和眼盒之间取得平衡对于优化沉浸感至关重要。

在虚拟现实系统中，考虑到人类视觉的双眼视野重叠约为 120°，通常视场角约为 100°，以通过最小化封闭式头显内可感知的显示边界，提供完全沉浸式体验。AR 系统通过衍射波导光学系统提供静态信息叠加，视场角为~20°。这种较窄的视野对于实现瞳孔扩展和减轻波导中全内反射引起的眼箱色彩扩散至关重要。

角分辨率

人眼大约能分辨每度60个像素，因此这是AR和VR系统显示清晰生动图像的目标角分辨率。要实现角分辨率为每度 60 像素的无缝图像，需要一个子像素当显示器距离观察者眼睛 1 英寸时，音高约为 2.5 微米（见图 2b）。在这些参数下，实现 AR 和 VR 设备中 3840×2160 像素的分辨率需要约 1.3 英寸的显示对角线长度，对应约 3440 像素每英寸（PPI）。角度分辨率不足会导致 SDE：即像素间的空隙以网格状图案可见，破坏图像的平滑性和鲜明度（见图 2c）。

图 1 | 用于AR和VR的微显示器。a， 虚拟现实（VR）头戴设备和增强现实（AR）眼镜分别为用户提供封闭黑暗环境和开放明亮环境的体验。关键组件是微显示器，以及用于AR 的光学组合器。b， 为满足AR和VR应用的需求，出现了三种光引擎技术：硅基液晶（LCoS）、硅有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）。LCoS 使用液晶层通过偏振控制调节来自外部光源的光。OLEDoS 由直接沉积在硅背板上的自发光有机发光二极管组成——通常是白色 OLED 置于彩色滤光片下方，以实现全彩显示。LEDoS 同样是自发光，使用由无机半导体制成的红绿蓝（RGB）微型发光二极管（microLED）。CMOS，互补金属氧化物半导体。

对比度与亮度

高对比度至关重要，尤其是对于开放式AR眼镜中的显示屏而言。事实上，环境光对比度（ACR）——即在一定环境光照度下显示屏的明暗对比程度——在AR应用中比绝对对比度更为关键（见图 2d）。为了在各种光照条件下有效渲染图像，AR显示系统必须达到至少 3：1 的 ACR。晴天的环境光约可达 3000 尼特（1 尼特相当于每平方米 1 坎德拉），因此 AR 显示屏需要达到 9000 尼特以上的亮度，以保持阳光下的清晰可见性。然而AR显示屏通常与效率约为 1%的光学波导组合器配合，因此显示亮度必须达到~100 万尼特，以确保足够的可见性。

VR 显示屏通常需要较低亮度，通常约为 150 尼特，这得益于其封闭设计。然而，显示单元通常发射 10%短的耐久比以消除运动模糊，需要 10 倍的显示亮度（1500 尼特）以保持足够的视觉清晰度。此外，头戴设备中使用了如Pancake光学和菲涅尔透镜等先进光学镜头，使得所需的显示亮度更高，因为这些镜头的光学效率有限。考虑到Pancake光学的效率约为 25%，VR 显示屏必须达到 6000 尼特的亮度才能保持图像清晰度。

刷新率

AR 和 VR 系统所需的刷新率取决于它们不同的应用。VR环境包含动态虚拟内容和用户动作，刷新率要求至少 120 赫兹，以保持无缝交互并减少晕动症。AR 系统主要提供静态信息叠加，可在最低刷新率 60 Hz 下有效运行。

表 1 | AR 和 VR 技术通用微显示器需求的对比概述

硅基微显示器

早期的AR和VR应用微显示器依赖于液晶显示器（LCD）技术，因为其制造工艺成熟。然而，传统LCD需要背光单元才能工作，导致体积庞大且沉重。此外，它们的响应时间慢和色彩饱和度低，不太适合AR和VR显示器。为了缓解这些问题，已开发出反射式LCD技术，它可以在不使用空间色彩子像素的情况下提供高像素密度和明亮图像。反射式LCD通过使用外部红‑绿‑蓝（RGB）光源，并在调整每个像素的透明度时通过液晶层反射入射光来呈现彩色图像。背光被消除，可以实现薄、轻量化的设计。

微显示技术的替代发展主要集中在基于有机和无机发光二极管（LED）的自发光单元上。有机发光二极管（OLED）的主要优势是高吞吐量制造性，同时保持其卓越的性能。已验证的 OLED 像素密度超过 3000 PPI，有效抑制了屏幕纱窗效应并提升了观看舒适度，使 OLED 成为长时间使用的理想选择。尽管有这些优势，OLED 仍为 AR 和 VR 应用带来了挑战，如光学串扰、有限的亮度和像素均匀性。尤其是其约 10,000 尼特的有限亮度水平，在超高亮度应用如AR显示器中的应用中带来了严重挑战。相比之下，基于无机半导体的 microLED 具有高亮度和长寿命等优势，使其在AR和VR应用中充满前景。然而，基于 microLED 的高像素密度全彩微显示器的制造良率有限。

将 LED 尺寸缩小到微米级也需要驱动电路的进步——即控制显示器中单个 LED 的有源矩阵背板，利用集成晶体管和电容器在每个像素内。传统有源矩阵背板通常使用低温多晶硅和氧化物薄膜晶体管，因其制造工艺和可扩展性高廉。然而，传统薄膜晶体管不可避免地会因栅偏压应力和晶界引起的性能不均匀而出现阈值电压变化。随着microLED 显示器的像素密度超过 2000 PPI，这些差异变得更加明显，导致亮度不均匀和图像失真。

这种不一致阻碍了每个像素亮度的精确控制，最终影响 microLED 显示器在高像素密度和高质量图像渲染中的准确性。此外，薄膜晶体管具有相对较大的特征尺寸，通常为几微米级，限制了可实现的像素密度低于 1000 PPI——对于需要像素密度超过 2000 PPI 的 microLED 显示器来说，不足以实现。一种潜在的解决方案是使用基于硅互补的金属氧化物半导体（Si-CMOS）背板电路，这些背板在像素密度、均匀性和作速度上表现出优越。这推动了硅基液晶（LCoS）、硅有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）技术的发展，这些技术均集成在 Si-CMOS 背板上照明单元。

显示器CMOS背板技术

Si‑CMOS背板技术已成为高像素密度微型显示器替代薄膜晶体管的理想选择，克服了薄膜晶体管背板在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）应用中的局限性。基于单晶硅的CMOS平台具有极低的缺陷密度和增强的载流子迁移率，能够实现超高品质的像素密度，从而在AR和VR microLED 显示器中实现高像素密度，这对于AR和VR应用至关重要。成熟的CMOS技术能够在像素阵列中集成紧凑的补偿电路，同时最大限度地减少所需的晶体管和电容数量。Si‑CMOS背板技术在使用22‑150纳米节点、8英寸或12英寸晶圆的微型显示器上实现了超过10,000 PPI的像素密度。

CMOS 背板需求因显示技术的不同操作机制而有显著差异。LED 的传统驱动方法使用脉冲幅度调制——即通过改变驱动电流的级别来调节 LED 亮度。然而，对于微米级像素尺寸，每个子像素的最大电流限制在几纳安培，形成一个仅几百毫伏的窄电压窗口。这个有限的电压范围使得实现高色彩深度变得困难，尤其是现代显示器每个通道需要 10 位到 12 位的色彩分辨率。

LCoS系统需要施加电压的极性反转，要求电压摆幅高达5 V，这远高于标准的CMOS核心逻辑电压范围1.2–1.8V.OLEDoS是一种电流驱动系统，需要更高的电源电压（8–10 V），特别是在串联配置中，每一层额外增加都会导致累积电压降。相反，LEDoS显示器通常在较低电压（~3.2 V）下工作，但依赖脉冲宽度调节来控制亮度（在固定驱动电流下调节脉冲持续时间和频率，从而减轻 microLED中观察到的电流依赖性色彩偏移）。脉冲宽度调制与脉冲幅度调制方案相比，需要在像素电路中增加额外的晶体管，包括逻辑门和静态随机存取存储器单元。最近引入了混合驱动方法，将脉冲宽度调制用于更高的灰度级别，将脉冲幅度调制用于较低的灰度级别。这些混合方法有效减轻了图像畸变，扩展了工作电压范围，并提升了灰度性能。

尽管 Si-CMOS 背板技术在AR和VR应用中相较于基于传统的薄膜晶体管系统具有优势，但仍面临挑战。有效的热管理对于保持稳定的性能和可靠性至关重要，因为过高的热量会损坏 LED 元件和 CMOS 电路。此外，LED 与 Si-CMOS 背板之间的精确对齐对于确保整个显示器像素性能的均匀性至关重要。

硅基液晶（LCoS）

尽管 OLED 和 microLED 技术取得了进步，LCD仍因其低成本、高产率和可扩展的制造工艺而占据显示市场的重要份额。LCD通过切换液晶分子取向来调制来自外部光源的入射光，由交叉偏振片间施加的电场控制方向。然而，由于光线泄漏，LCD难以达到高对比度，液晶的分子重定向动力学也减慢了响应时间。

为解决这些限制，目前已开发出多种液晶模态，包括垂直排列、铁电和混合扭曲向列。在垂直排列模式下，液晶分子最初垂直排列于基底，施加电压时倾斜以允许光线传输。尽管切换速度比其他模式慢（1–2 毫秒），垂直排列仍能实现更优异的对比度（~5000：1），并提供模拟控制光强度功能。铁电液晶表现出较大的自发极化，使得利用外部电场在微秒级内实现两个稳定态之间的高速切换。混合模扭转向列液晶利用了扭转向列对准与混合模作的优势，实现了更好的响应时间和对比度，同时最大限度地减少了对动态光学调制至关重要的边缘场效应。

然而，由于液晶层的光线泄漏，LCD显示器的对比度本质上仍然较低，这种低对比度在 VR 头显的光隔离环境中尤为明显。近期采用的mini LED 局部调光阵列——通过选择性调制和关闭需要黑像素的 LED 区域来解决光线泄漏问题——提升了基于 LCD 的 VR 显示器的对比度，但该技术也引入了可见伪影，包括晕染和晕光效果，这源于 LED 区域与 LCD 像素的不匹配。

在AR系统中，纯黑不再必要，高亮度更有利，LCoS 技术因此引起了关注。LCoS 构成了一种反射显示：硅-CMOS 背板电路上的金属电极镜位于液晶层下方，液晶层顶部覆盖着玻璃罩，玻璃罩内还包含一个取向层。单个LCoS面板可以通过以高频率同步切换其像素状态来执行顺序RGB光调制（图3a）。因此，观察者看到全彩色图像通过反射光的时间积分，因为切换频率超过了人眼的感知能力。这种时序彩色方法消除了对空间彩色滤光片的需要，从而实现了极高的像素密度。商用LCoS面板的像素尺寸约为4 μm，对应像素密度为6,000 PPI。最近，已经展示了像素间距为2.15 μm、像素密度为11,800 PPI的LCoS面板。

图2 | AR和VR显示器参数。a， 视场是包含微观显示图像并与眼睛对齐的角度区域。在眼盒内，用户可以看到全亮度下的微观显示图像。b， 每英寸所需的像素数（PPI）随显示位置变化，从靠近眼睛的微显示器到更近的远处电脑显示器。c， “纱窗效应”产生于眼睛与微显示器之间的距离较短，像素间出现间隙。d，环境对比度与AR眼镜相关——即环境照明条件下的对比度。

图3 | 硅基液晶。a，一个硅基液晶（LCoS）显示器在横截面上的示意图。通过施加到Si‑CMOS（互补金属氧化物半导体）背板上的电压控制光强度：开关电压会改变液晶层中分子的取向，使显示器在亮和暗状态之间切换。b，使用LCoS的典型投影方法包括一个X型立方体和偏振分束器。图像投影明亮，但系统物理体积庞大。c，或者，可以使用白光实现一个更紧凑的系统，无需X型立方体，但使用彩色滤光片照明LCoS显示器，尽管空间分割的子像素会降低图像分辨率。d，一个前照式LCoS光源引擎使用一个薄波导代替体积庞大的偏振分束器：单个LCoS面板按顺序从独立的照明源反射红（R）、绿（G）和蓝（B）光来生成彩色图像。由于消除了彩色滤光片，像素密度很高。e，对于增强现实（AR），带有集成波导的眼镜可以与LCoS光源引擎配对，以制造紧凑轻便的AR眼镜。LED，发光二极管。

LCoS 技术用于近眼显示器需要额外的光学架构来呈现图像。传统方法涉及偏振分束器，它通过偏振态分离入射光并将过滤后的光导向 LCoS 面板，以及“X‑立方体”，它们是玻璃立方体分束器，将 RGB 光结合在一起，并从单个单色面板提供全彩显示。如图 3b 所示，通过 X‑立方体和偏振分束器，顺序 RGB 照明被投射到 LCoS 面板；LCoS 使用电压控制液晶分子调制反射光的偏振态；然后 LCoS 中的 RGB 图像沿光路放大并投射为输出。为了简化光学元件，可以消除X‑ 立方体并将彩色滤光片与 LCoS 集成（图 3c ），但尽管这种方法支持轻量级AR眼镜，但这牺牲了高像素密度显示屏。光学架构的其他进步使得基于偏振分束器的传统庞大系统可以被紧凑透明波导所取代，适用于轻量级和薄的AR眼镜（图3d,e）。

LCoS通过使用高亮度外部光源实现高亮度，例如可提供超过3,000,000尼特的微型LED。尽管反射图像的亮度在偏振和反射阶段会降低，LCoS通常以超过300,000尼特的亮度将图像传输到波导中。这种高亮度图像对AR眼镜至关重要：这些眼镜需要透明且薄的波导组合器来向用户传递透视虚拟图像，但AR波导组合器的光学耦合效率较低，约为1%或更低。光学组合器中的大量光损失会导致ACR降低。通过使用基于超表面的几何组合器可以提高ACR，其光学效率高达15%，但高制造成本和低良率对实际应用构成挑战。对于AR眼镜，在明亮的户外环境中向眼睛显示图像时，光损失变得至关重要，其中投影图像所需的亮度约为2,500尼特才能实现3:1的ACR（表1）。为了缓解降低的ACR，还演示了一种显示同步调光技术，通过加入一个额外的液晶层来选择性地衰减透过镜片的外部光传输。

LCoS 还提供使用激光实现全息技术的可能性，使其适用于更广泛的应用。全息投影能够在虚拟图像中实现深度感知，从而消除因辐辏调节冲突（当人脑难以处理不匹配的视觉线索时）而产生的不适感。展望未来，若要使 LCoS 技术保持竞争力，需要各种技术进步，包括提高对比度、减小庞大光学器件、缓解边缘场效应以实现更小的像素间距、降低功耗以及扩展其工作温度范围。

硅基有机发光二极管（OLEDos）

OLEDoS 微显示器结合了 OLED 和 CMOS 技术的优势，以实现高像素密度。其开发基于成熟的 OLED 平板显示器制造工艺，这确保了其商业应用的可靠性和可扩展性。OLEDoS 提供宽广的色彩范围、深邃的黑色和高的对比度，适用于紧凑型高像素密度的 AR 和 VR 应用。

结构上，OLEDoS 由一个集成的发光 OLED 前板和提供驱动电流给单个 OLED 的 CMOS 背板组成。前板通常采用通过热蒸发工艺制造、并由薄膜封装层保护的白色 OLED 顶发射结构（图 4a）；顶部的RGB 色彩滤光片可实现全彩显示。这种配置支持无影罩制造，并实现具有超高像素密度的微型显示器，尽管由于色彩滤光片的吸收损耗，整体亮度有所降低。

或者，可以通过将发红光、发绿光和发蓝光的材料直接沉积到CMOS 子像素上，来制造无色滤光片的 RGB OLED。每个子像素的最佳器件结构受光学微腔效应的强烈影响，该效应随发光光谱变化：因此，红 OLED 的有源层比绿或蓝 OLED 的有源层更厚(图 4b)。此外，RGB 子像素之间不同的传输层厚度会导致激子分布和器件电导率的变化，但可以通过例如实施渐变掺杂分布和发光层内的混合基质结构等方法来补偿。然而，这种方法受限于传统细金属掩模制造工艺所能达到的有限像素密度（图 4c）。细金属掩模是一块带有与像素网格所需布局相匹配的孔洞的薄板；制造工艺的分辨率本质上受金属掩模高热膨胀和随之而来的下垂的限制，通常最高为 500 PPI。使用细硅掩模可以避免掩模下垂和热变形的问题，因为可以在沉积在硅晶圆上的SiNx 薄膜中设计拉伸应力，以保持所需的平整度。

图 4 | 硅基有机发光二极管。a，b，为了创建全彩微显示器，红、绿、蓝三色滤光片（CF）放置在一层发白有机发光二极管（OLEDs）上方（a），或者可以使用单独的红、绿、蓝 OLED 子像素，每个子像素带有红、绿或蓝（RGB）发光层（b）。c， 有机光射层在互补金属氧化物半导体（CMOS）背板上的沉积和图案化通过细金属掩膜完成。这种方法常常会受到阴影效应的影响，材料超出定义的像素区域。d、单层白 OLED 和三堆栈串联白 OLED 结构的示意图。串联结构相比单一发光单元，在相同电流密度下能提升亮度。e，f，亮度也可以通过集成微透镜阵列来提升，可以单独制造后集成在彩色滤光片基底上（e），也可以直接于低温下在 OLED 的彩色滤光片上制造（f）。

提升 OLEDoS 的亮度

尽管在 CMOS 背板上集成 OLED 实现了高像素密度，但这种微显示器的相对较低亮度限制了其在 AR 设备中的采用，因为 AR 设备需要约100 万尼特的亮度（以适应其透明背景和衍射耦合器的低耦合效率）；迄今为止，OLEDoS 仅实现了约 10,000 尼特的亮度。为了达到更高的亮度，需要超过 100 mA cm−2 的驱动电流密度，但这会加速材料降解并缩短寿命。提升亮度是 OLEDoS 在 AR 应用中最关键的问题。

创建一种“串联”OLED 结构可能有助于解决亮度问题。在此结构中，多个发光单元被堆叠起来，并与电荷产生层串联连接（图 4d）。在相同的驱动电流密度下，亮度增加与堆叠的发光层数成正比。然而，串联 OLED 受限于驱动电压的增加，因为活性层被串联连接。为了降低这种电压，人们已经尝试了各种方法，例如使用更高导电性的传输层和最小化电荷注入势垒。此外，串联结构还存在颜色不稳定性问题，这通常由电荷产生层中的横向漏电流引起的电气串扰造成，尤其是在高像素密度阵列中。通常使用沟槽或空气隙隔离来物理隔离每个像素以及像素之间的反射层，以抑制横向电气串扰。在电荷产生层中实现低电阻电流通路可以通过确保精确地将电流仅输送至目标像素来增强颜色稳定性。

OLEDoS的亮度也可以通过使用微透镜阵列（MLA）来增强，通过抑制内部反射来提高光提取效率（图4e,f）。为了最大化出耦合效率，需要精确对齐MLA与OLED子像素，这通过使用高精度光学对准系统来实现。通常用于形成MLA的高温固化过程有风险会对OLED器件造成材料损伤，因此MLA集成在单独的玻璃基板上，并通过树脂与OLEDoS面板顶部粘合（图4e）；然而，MLA则远离开 OLED 子像素，其光学效果有限。直接在 OLED 子像素上形成的 MLA，使用低温可加工材料，最近已被演示（图 4f），从而提高了光提取效率：一款 1.3 英寸的 OLEDoS 面板，其像素密度为 4,175PPI，实现了超过 10,000 尼特的峰值亮度。

分布式布拉格反射器的使用是提高亮度、对比度和色彩纯度的另一种有前景的光学解决方案。这些反射器增强了模式选择性，从而产生窄发射光谱，并增加OLED发光层内的辐射衰减。在OLEDoS中，可以在底部金属接触和顶部反射层之间形成强腔，增强光提取，并使亮度提高五倍。

OLEDoS的其他挑战

OLEDoS所需的较高亮度要求驱动电流密度超过100 mA cm−2，这会因材料加速降解而缩短器件的工作寿命。这个问题在蓝光OLED中尤为严重，因为用于蓝光发射的高能激子更容易导致材料降解。为了提高蓝光OLED的寿命，已提出多种策略，包括将激子密度分布在多个发射层上的串联OLED，从而减轻每个单元的负担。然而，鉴于上述串联配置的限制，人们已探索替代方法，包括梯度掺杂分布, 超荧光设计,基于高能掺杂剂的激子管理以及抑制发射层聚集。利用Purcell效应增强辐射衰减率的方法已被用于抑制发射层内的高能激子密度，从而延长器件寿命。

对于VR显示器，OLEDoS满足了像素密度超过3,000 PPI、亮度超过10,000尼特以及100,000:1的对比度的要求。OLEDoS提供紧凑和平面的结构形式，并且可以与VR头显中的放大镜集成。然而，OLEDoS与放大镜光学系统结合会导致视场角（FOV）变窄。使用更大的显示器是一个可行的解决方案，但这需要对透镜系统进行复杂的调整。基于折叠光学或非球面透镜的优化光学设计已被证明是有效的替代方案，因为它们缩短了显示器与透镜之间的距离并提高了FOV.

在CMOS背板的制造过程中，铝接触点的氧化是OLEDoS技术的一个关键问题。氧化会改变铝的功函数，增加驱动电压并降低电流注入效率，进而降低电致发光性能。这种效应在用于平坦化金属层的化学机械抛光过程中会加速。氧化铝接触点使驱动电压从抛光前的2.5V提高到100 cd m−2 的3.5 V。另一个挑战在于OLED接触材料的CMOS兼容性。常见的CMOS接触材料，如铝、银、镍和金，在OLEDoS结构中作为阳极，但它们的低功函数阻碍了高效空穴注入到空穴传输层。为解决这一问题，在OLEDoS器件中已使用氮化钛代替铝作为阳极材料：与相同电压下使用铝的器件相比，亮度提高了60%以上，从而提高了效率并降低了功耗。

图5 | 硅基LED。a，硅基LED（LEDoS）可使用单个红、绿或蓝（RGB）microLED，或带有红或绿量子点转换层的蓝色microLED，以实现全彩色微显示器。b，蓝、绿和红 microLED 的多量子阱（MQW）结构。c，一个微透镜阵列集成在LEDoS上可减小microLED的宽发射谱。d，微反射器也可解决microLED的宽发射谱和子像素间的光学串扰问题。

硅基LED（LEDoS）

LEDoS是一种新兴的自发光显示技术，具有高亮度（超过100万尼特）、高功率效率、长寿命以及实现亚微米像素尺寸的潜力。LEDoS使用基于无机半导体的RGB微LED或带有量子点转换层的蓝微LED，安装在CMOS背板电路（图5a）上。发射光的波长由有源发射层的带隙调节，这些层通常包含多量子阱结构以增强复合率，从而提高亮度和效率（图5b）。

作为一种自发光LED技术，microLED无需背光，可实现更薄、更轻的微型显示面板，适用于头戴式和近眼显示设备。与LCoS和OLEDoS相比，其显著优势之一是超过25:1的高对比度（ACR），这使得LEDoS非常适合AR应用。microLED的寿命远长于OLEDoS，其开关速度为纳秒级，而OLED和LCD的开关速度分别为微秒级和毫秒级。与OLED技术不同，microLED可在超过10 A/cm²的高电流密度下持续工作而不出现明显衰减，从而实现极高的亮度。尽管OLED的像素尺寸受细金属掩模技术限制，但LEDoS的制造依赖于成熟的精细金属掩模板（Fine Metal Mask）技术，可达到超过5000 PPI的高像素密度，亚像素尺寸小于 2 μm.

然而，microLED的尺寸减小——尤其是小于5 μ米时——会导致外部量子效率下降，影响microLED显示器的亮度。这种减少主要归因于非辐射复合的增加（这源于更高的侧壁面积比，即侧壁效应），通过加入原子层沉积 HfOx–AlOx–HfOx或溶胶‑凝胶基的SiO₂钝化层可以将其最小化。

在尺寸较小时，相邻RGB像素之间的色串扰也会变得明显，这是由于microLED固有的朗伯发射特性所致。这个问题在AR波导光学中尤为关键：此时，光线必须以约30°的窄发散角发射，才能高效耦合到波导中。由于高折射率半导体材料与周围空气之间的折射率失配，光出耦合效率也受到限制。

为应对发射谱形和光提取效率这两个挑战，可集成微透镜（如聚合物透镜或薄菲涅尔透镜） （图5c）。这些透镜有助于减小微LED的宽发射谱形，同时提升其亮度。或者，可将涂有反射金属层的梯形微反射器阵列与microLED集成，以缩小发射角并最小化子像素间的光学串扰（图5d）。一种谐振腔LED结构——其中多个量子阱被分布式布拉格反射器或金属反射器夹层——是进一步减小光束发散, 并提升微显示器图像质量和亮度的可能方法。

在用于全彩LEDoS的两种方法中——量子点色转换层与蓝色或紫外‑C microLED结合, 以及独立的RGB microLED（图5a）——量子点具有窄发射光谱的优势，并且能够根据其尺寸在特定波长处发光，从而实现RGB组件的精确色彩调谐。此外，虽然基于InGaN多量子阱的 microLED 在亮度增加时会出现蓝移，但红色和绿色量子点即使在高亮度下也能保持一致的色彩。量子点转换层的厚度足够是提高色转换效率并最小化蓝光泄漏的关键。量子点层通常使用光刻或喷墨打印制造，确保精确沉积在紫外‑C或蓝色 microLED之上。然而，传统的量子点图案化方法通常会导致不均匀性、低像素密度和退化的量子点转换层，尤其是在其暴露于溶剂之后。沉积过程中“溢出”的量子点常引起光学串扰。

LEDos微显示器制造

使用RGB独立像素实现全彩LEDoS显示器需要将microLED像素精确键合或转移至CMOS背板，以实现单个像素操作。已探索多种集成方法，包括“拾取和放置”、倒装芯片键合、晶圆对晶圆或芯片对晶圆工艺中的直接单片集成，以及流体自组装。

拾取与放置。传统的拾取和放置工艺在平面显示器上已非常成熟，但对于像素密度超过2,000 PPI的微显示器则不切实际。精确地以亚微米精度转移microLED具有挑战性，且良品率较低。静电转移、弹性体转移和磁压印等转移方法已被验证 ，尽管可以实现高达99.99%的良率，但在通常包含超过2500万个子像素的微显示器中，结果仍然存在大量有缺陷的microLED。这需要包含冗余的microLED来补偿有缺陷的单元，从而增加了制造成本和复杂性。

倒装芯片键合。倒装芯片键合是异质集成领域广泛研究和应用的一种制造工艺。为制造LEDos，预制好的microLED通过金属触点阵列（通常是铟“凸点”或铜触点）键合到CMOS背板上，采用确保电气和机械压缩的热压方法。然而，使用铟凸点键合，难以实现小于5 μm的像素间距。此外，microLED和CMOS背板之间的热膨胀系数不匹配可能导致压缩过程中的错位 ——随着像素密度的增加，这个问题会变得更加严重，键合后冷却过程中产生的应力会加剧。

混合键合技术使用微LED和CMOS晶圆上的铜凹凸纹焊盘，并由介电材料包围。铜焊盘实现电气连接，而介电材料提供粘附性。这种方法缓解了尺寸的限制，并且已经展示了3‑μm间距的混合键合LEDoS，尽管随着像素间距减小，精确对准仍然是一个挑战。翻转芯片键合和混合键合主要用于量子点集成微型显示器，这些显示器通常使用单晶外延晶圆。

单片集成。LEDoS制造最广泛使用的方法是金属化外延晶圆与CMOS背板之间的直接晶圆对晶圆或芯片对晶圆集成；然后通过传统的光刻工艺在晶圆上制造microLED。这种简化的键合过程使精确对准更容易，并产生了像素密度为1,270 PPI、像素间距为20 μm的单色LEDoS微型显示器。传统的直接单片集成只能产生单色显示，并且需要添加X立方棱镜才能实现全彩显示。另一种选择是基于InGaN和AlInGaP超薄外延层垂直堆叠的多色microLED显示，以创建单片RGB晶圆；每个microLED都与背板电路电连接，以实现独立像素操作。通过这种垂直堆叠方法，微LED的像素密度比水平排列的microLED高三倍，因为在堆叠配置中，单个像素可以发射RGB颜色，将三个独立水平像素的功能合并为一个。此外，传统的自上而下制造工艺可以实现更小尺寸的微LED。利用这些优势，垂直堆叠方法已经实现了一种全彩域microLED显示，其像素密度超过5000 PPI.

RGB microLED的堆叠可以通过蚀刻基板或使用远程外延和基于二维材料的层转移工艺来实现。通过远程外延，自由悬浮的LED膜从其基板上机械释放并堆叠到基于硅的背板上，允许重复使用晶圆来生长LED的外延层，从而降低生产成本。

流体自组装。这种技术利用液体流动将microLED定位并排列到基板上；通过搅拌或沉降产生流体动力学力和表面相互作用。在一次最近的演示中，受控的范德华力被用于在硅‑CMOS晶圆上以100%的精度排列microLED，实现了99.992%的转移良率。此外，磁力和介电泳力已被用于控制每个RGB microLED的运动，将它们组装到形状匹配的受体位点，以展示转移过程。尽管流体自组装是适用于直径约为50 μm的microLED的可行方法，但精确放置直径小于5 μm的microLED是一个挑战，需要仔细校准表面张力和微LED重量之间的力不平衡。

由于在批量生产中将RGB像素集成到CMOS背板上存在高良率的技术难题，LEDos的商业化尚未实现。然而，随着制造和设计的持续进步，LEDos有望成为AR和VR的下一代显示技术。

微型显示器特性分析

准确表征微型显示器对于确保关键性能指标满足AR和VR系统的严格要求至关重要，从而能够提供可靠、高质量的视觉效果和流畅逼真的交互。这些指标包括传统显示器中的亮度、对比度、色彩准确性和角分辨率；AR特有和VR特有指标则包括视场角（FOV）、眼框和SDE。

亮度和色彩

自发光显示器（如LED和OLED）本质上存在像素间的亮度和色彩差异，导致整个显示器的均匀性不佳。这种差异会降低显示质量，需要精确的像素级亮度测量和校正，这一过程被称为“去杂散”。此外，由于单个RGB子像素在灰度等级上的亮度曲线存在差异，需要进行像素级校正以确保所有亮度级别下的色彩均匀性。同时，色度值也会与参考色彩标准进行对比分析，以校准像素的色彩准确性。

传统上，通过使用点光源亮度计或CMOS成像亮度计来检测亮度。点光源亮度计通过聚焦单个像素来测量显示器上特定点的亮度。成像亮度计通过检测整个显示器的亮度分布来捕获二维亮度分布。然而，由于分辨率限制，这两种工具在测量像素尺寸为几微米的微型显示器时都存在局限性。因此必须使用具有足够放大率的高分辨率成像系统。这些系统结合了高倍镜头——通过球面像差最小化、分层折射率分布和专用校正透镜集成来抑制光学像差——与基于 1 微米间距电荷耦合器件（CCD）传感器的高分辨率相机进行详细分析。配备十倍放大镜片，该系统可测量像素密度超过 5000 PPI 的微显示器面板且无失真。然而，高分辨率系统中过度放大可能会引入光学像差。

另外，还可以运用先进的软件校准技术。分数像素方法能够为高像素密度显示实现精确的亮度测量，无论探测器的像素分辨率如何。在“注册”过程中每个显示像素或子像素周围设置了一个圆形的兴趣区域（ROI）（见图 6a）。每个 ROI 在不同入射光强度下的亮度会被平均并记录，以创建所有灰度尺度下整个显示的亮度图。典型的配准方法将 ROI 中面积超过 50%的像素归类为对亮度贡献的完整像素，而在 ROI 中面积小于 50%的像素则被视为不贡献亮度。相比之下，分数像素法根据其在投资回报率中的精确填充比例加权每个像素，从而提高了测量精度。该方法将平均误差降至低于 2%，而传统整像素方法误差可达 10%。

纱窗效应

高分辨率成像系统还可以通过分析相邻像素的亮度变化来测量像素边界的可见性，并评估 SDE。显示屏幕上会捕捉到一张白色图像在显微镜下获取空间域图像，然后通过二维傅里叶变换转换为时空频域。随着 SDE 的增加，高频成分变得突出，因此 SDE 指数由高阶与零阶空间频率强度的比值定义：当 SDE 指数接近 1 时，SDE 几乎在视觉上难以察觉。

图 6 | 微显示器像素和显示面板的表征方法。a， 对于亮度测量，定义了微显示器上的关注区域（ROI）。整像素法包括所有在 ROI 内面积超过 50%的像素的亮度。分数像素方法基于基于像素贡献的精确填充比例对其在投资回报率中的比例进行加权，以提高准确性。b，有两种方法——积分球法和开放式盒子法——可通过比较环境光下白屏和黑屏条件来评估环境收缩比。c、光线边界及重叠区域的可视化，用于确定视场和眼框。d，基于傅里叶光学的电荷耦合器件（CCD）阵列系统可同时捕捉角度亮度、对比度和颜色。

图7 | 带组合器的微型显示器。a，"birdbath"型光学组合器使用分束器将虚拟图像与现实世界视图合并。b，衍射波导使用光栅将光线引导至用户眼睛(底部面板中显示横截面)。c，几何波导具有透反射镜来引导和组合光路。

对比

测量ACR有两种主要技术：积分球法和开箱法(图6b)。积分球法是将显示器置于一个大球内，并在白屏和黑屏条件下测量显示器的亮度；通过在环境漫射照明的存在下比较这两种条件，可以精确计算ACR。开箱法使用更简单的设置，在白墙箱内将灯置于显示器后方，仅向检测器和屏幕提供漫射照明；亮度计从屏幕8‑10°的角度测量微显示器的亮度，以提取ACR。尽管开箱法更易于操作，但其可靠性较低。

显示器发出的光可能会被光学测量系统中的透镜反射或散射，然后重新进入CCD。这是光晕效应；它会阻碍对比度比的准确测量，并且无法使用传统的表征工具来防止或纠正。此外，探测器‑透镜孔径较小，无法从微显示器上的暗区捕获足够的光，导致对比度比高估；而大孔径则允许环境光或眩光进入，导致对比度比低估。为了解决眩光问题，已开发出填充液体的透镜系统。玻璃‑液体界面的反射率低于1%，远低于空气‑玻璃界面的反射率。降低的反射率最小化了光学测量系统内部反射导致的光散射，减少了光晕效应并提高了对比度测量精度。通过使用黑色乙缩醛塑料制作透镜筒并优化孔径位置，可以进一步改进。

视场

视场（FOV）与精细的角分辨率对于提高沉浸感、用户舒适度和整体体验至关重要。为了同时测量FOV和眼框，在设备前方放置一个漫射屏，以可视化光线的边界并观察亮度分布（图6c）。计算这些光线路径的最小和最大角度，并将其转换为角值以确定FOV。同时，通过识别漫射屏上光线重叠的亮区来测量眼框。

视角

在不同观察角度下的色度和亮度也必须进行表征。传统的观察角度测量方法使用机械旋转的CCD传感器，但将CCD与显示器的微米级像素对齐可能很困难。基于傅里叶光学（Fourier Optics）并与CCD结合的系统可以在单次快照中捕获观察角度信息，提高测量效率，并实现准确的亮度、对比度和色度坐标(图6d)。

动态伪轮廓

动态伪轮廓（DFC）是屏幕上移动图像的虚假视觉感知153。它是由光脉冲的时间重叠引起的，通过脉冲宽度调制驱动每个像素以提供不同的亮度级别。当人眼追踪运动时，重叠的脉冲会产生伪影，表现为明暗条纹。DFC在AR和VR应用中更为明显，因为它们具有高像素密度、小像素尺寸且靠近眼睛，必须加以解决以保持视觉质量和无缝性能。为了准确表征DFC，通常使用可感知失真积分法（JNDIM）。该方法评估灰度过渡期间的亮度变化，并将其与人眼可检测的亮度阈值（即可察觉的变形）进行比较。通过这种量化，JNDIM提供了一个精确的框架，用于识别和减轻DFC，确保微型显示器中的最佳性能和视觉保真度。

自动光学检测

自动光学检测（AOI）系统集成了高分辨率相机（如低噪声成像光度计）和图像处理算法，通过模式匹配和颜色分析，在像素或亚像素级别识别外观缺陷。近年来，AOI软件算法在缺陷检测中应用深度学习，提高了对划痕、褪色和色斑等多种缺陷的分类精度。配备机械臂的三维AOI系统在检测微小和复杂结构时实现了更高的精度。

与光学和光学组合器的集成

传统的VR光学使用厚重的折射透镜，阻碍了头显小型化。相反，商业系统广泛采用了猫眼透镜，即“薄饼透镜（Pancake Lens）"，通过利用偏振态折叠光路来减小外形尺寸159。由于集成了半反镜，典型的薄饼透镜效率仅为约25%，尽管近期研究通过结合胆甾相液晶元件、反射偏振器、波片或非互易偏振旋转器提高了这一效率。此外，通过定向背光优化每个像素的角度发射轮廓已被提出，以增强VR光学与微显示器的兼容性。这种方法提高了光线传输到眼盒的效率，提升了整体效率，并使开发节能型VR显示成为可能。

在AR显示中，光学组合器负责将像素信息从微显示器传输到眼睛，并将虚拟图像与现实场景合并。光学组合器分为三种类型：自由空间（包括"birdbath"型）、自由曲面和波导组合器。自由空间和自由曲面组合器折射（或反射）来自微显示器的光线，直接将虚拟图像传输到眼睛，无需瞳孔复制，引导光束在扩大的眼盒内形成无渐晕的图像（图7a）。

这些组合器广泛应用于商业产品，包括谷歌眼镜和XREAL，因为它们可以支持各种微显示器，包括LCoS、OLEDoS和LEDoS。尽管最近的自由曲面和自由空间组合器在10‑20毫米的适度厚度下实现了50‑60°的视场角，但与波导组合器相比，它们的整体外形仍然庞大。此外，它们的视场角和眼盒受光学元件尺寸的限制，因为它们不支持出瞳扩展（EPE）——一种通过创建多个虚拟出瞳来扩展用户眼睛感知完整图像区域的技术。因此，尽管自由空间和自由曲面光学解决方案具有制造工艺简单和兼容各种微显示器的优点，但它们外形与视场角和眼盒等光学参数之间的权衡限制了紧凑型轻量级头显的发展。

波导合束器是平面光学元件，通过在薄基板内的全内反射将光线从像素引导，其外形类似于眼镜，因此吸引了用于AR头显的应用关注。波导合束器通过多次从全内反射中提取光线来扩大眼盒，用于EPE，并根据其耦合机制分为衍射型和几何型。

衍射波导使用表面浮雕光栅或体光栅——如光聚合物和偏振体光栅作为耦合器，这些耦合器仅几十微米厚，用于调制光线（图7b）。然而，它们受波长和入射光角度的影响，导致光分布不均匀和色散。最近研究表明，多层偏振体光栅中的偏振转换可将耦合效率提高近一倍，尽管取得了显著改进，但仍需进一步改进制造方法才能实现广泛商业应用。几何波导使用消色差耦合器来防止色散并传递高保真图像（图7c）。然而，其应用受限于复杂的制造步骤和低良率，因为需要高制造精度、多层涂层以及多层基板的粘合。无论是衍射型还是几何型波导合束器，都存在光效率低的问题，因为通用微显示器发出的宽带朗伯光无法完全耦合到波导中，而EPE进一步降低了光效率。因此，商业产品已使用集成明亮微型显示器（例如微软、Magic Leap 和 Lumus使用的LCoS 显示器）的波导，旨在抵消这种低光效率。

最新的LEDoS显示屏相比OLEDoS显示屏，展现出窄光谱和高亮度，并且正在探索与波导的结合，以实现紧凑、轻便且明亮的AR设备。LEDoS显示屏即使在使用2D EPE波导的情况下，也展示了超过1,000尼特的纤薄外形和明亮的AR显示。然而，由于在日光下使用AR头戴设备需要更高的亮度，因此进一步提升组合器的整体光效率至关重要。一种潜在的解决方案是设计组合器和微显示器的光谱和角度特性以相互匹配：衍射耦合器的光栅图案及其材料特性可以被优化，以覆盖微显示器的整个光谱。此外，由于组合器使用有限的光锥（例如发射角在 ±30°内），通过像素级微光学缩小微显示器的发射角可以增强AR显示器的光学性能 。表2总结了不同波导技术和微显示器组合的特性。

表 2 | 增强现实中 OLEDoS 和 LEDoS 显示器的组合器特性

图 8 | 增强现实与虚拟现实应用微显示器的比较。三种光引擎技术——硅晶体（LCoS）、硅有机发光二极管（OLEDoS）和硅基微发光二极管（LEDoS）——相互较之下具有不同的优势，如本文所示。尽管 LEDoS 在大多数类别表现良好，但目前的劣势是大规模生产的困难。增强现实（AR）;虚拟现实（VR）。

结论

我们讨论了光引擎技术LCoS、OLEDoS和LEDoS及其在AR和VR显示器应用中的必要性能指标（表1）。尽管LCoS被认为效率较低、对比度较低且体积较大，但最近的发展带来了更小的像素尺寸以实现全彩显示、通过高性能LED背光提高端到端光效率，以及通过区域照明增强对比度。LCoS投影光学的微型化进展和激光照明背光的集成强化了其作为AR和VR应用竞争平台的潜力 。

OLEDoS 本身具有高对比度比例，且在系统音量最小的情况下表现出色。尽管白光 OLEDoS 结合彩色滤光片时亮度有限，但可以通过使用串联架构和微透镜阵列等先进结构来增强亮度，或者使用无彩色滤光片的 RGB OLED 像素来提升，从而提高 OLEDoS 在 AR 和 VR应用中的适用性。

LEDoS 具有高对比度比例、长寿命和卓越亮度的优势。然而，随着微 LED 像素尺寸的减小，其外部量子效率会因表面非辐射复合而降低。实现全彩显示需要在单个背板芯片上以高良率精确转移单个RGB microLED — 这是一项主要的制造挑战。可以在蓝光microLED上添加量子点层进行彩色转换，但提升亮度和减少彩色串扰对于生成高质量图像至关重要。然而，凭借其优于 LCoS 和 OLEDoS 的卓越性能，LEDoS 仍然作为下一代显示技术脱颖而出。

如图8所示，对于VR头显，由于技术相对成熟，LCoS和OLEDoS通常更受欢迎。LCoS技术比发光显示器具有更高的像素密度，但其相对较低的对比度比率与OLEDoS相比，会降低封闭式VR环境中的沉浸式体验。尽管由于制造挑战（如吞吐量低、良率有限和高生产成本）等原因，LEDoS很少被采用在VR头显中，但它被认为是一种有前景的下一代显示器，其性能优于LCoS和OLEDoS。在AR应用中，尽管LCoS的光学体积较大带来了限制，但它已在眼镜中实现高像素密度和高亮度下的高ACR，且成本较低。LEDoS由于卓越的亮度和高ACR（>25:1），在户外AR显示器方面具有相当大的潜力。尽管OLEDoS在成本效益方面具有优势，但它仍面临满足所需ACR和长期工作寿命的挑战。

微型显示器的整体动态性能由背板电路决定，这些电路能够实现精确的像素控制和高速切换。CMOS背板可以采用多种驱动方法，为了减少运动模糊，需要综合考量与材料相关的响应时间、刷新率和占空比。光学组件必须将微型显示器渲染的图像传输到人眼：VR显示器中的饼状透镜和AR显示器中的波导组合器有助于实现紧凑型设计，但在提高光效方面仍面临挑战。对于所有类型的微型显示器，其角度和光谱发射曲线都需要根据光学系统的特点进行定制。

作者：Inbo Sim, Kyusung Choi, Yongmin Baek, Jun Hee Choi, Jang Jo, Jiwoon Yeom, Boeun Kim, Yongjoo Cho, Heesung Lee, Hyungseok Bang, Jun-Han Han, Dong Hyuk Park, Jongchan Kim & Kyusang Lee 

文章来源：https://doi.org/10.1038/s44287-025-00199-x