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解读VR 应用的显示技术演变:大多数AR显示器是基于硅线路的micro display

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-05-18 来源:Omdia浏览次数:626
 VR 应用的显示技术演变
 
用于 VR 应用的显示面板有三个阶段的技术演变。
 
第一阶段:初创期
 
第一阶段从 2015 年一直发展至 2018 年。在此期间,几乎所有的品牌都没有 VR 应用的经验,因此只能根据消费类设备的经验设计与生产 VR 设备。由于 AMOLED 响应速度更快且色彩饱和度更高,大多数品牌倾向于为 VR 设备配备 AMOLED 显示面板。
 
第二阶段:推广期
 
第二阶段始于 2019 年。在此阶段早期,品牌商意识到价格是增加 VR 硬件受欢迎程度的最重要因素:只有低价才能吸引消费者尝试新事物。为了迅速降低 VR 硬件价格,品牌商决定降低显示面板成本。
 
与此同时,品牌商发现 AMOLED 受到像素排列的限制很难进一步提高像素密度,即每英寸面积的像素 (PPI) 数量 ,也很难改善AMOLED的纱窗效应。因此,自 2018 年起,各品牌商逐渐将其显示面板的选择从 AMOLED 转向快速液晶(Fast LCD) 。与 AMOLED 相比,快速液晶(Fast LCD)  可以实现更好的 PPI,并且价格更具优势,最终在 2018 至 2021 取代 AMOLED 成为主流显示技术。
 
第三阶段:用户体验提升期
 
第三阶段才刚刚开始。当平台的活跃用户增加到一定程度,提升用户体验就成为必然结果,包括增强 VR 显示面板的分辨率、色彩饱和度、响应速度等。自 2022 年起,领先品牌商开始使用带有 Mini  LED 背光的快速液晶显示面板,或者使用硅基 OLED (OLEDoS),来提升显示性能。Omdia 预测,配有 Mini LED 背光的 Fast LCD 与 硅基OLED都将成为未来几年 VR 应用的主流显示面板。
 
VR 显示技术应用趋势  来源: Omdia
 
用于VR和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和AMOLED均适用于VR设备。不过,也有一些设备厂商采用 “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设备时,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吋1440x1600 AMOLED,更受欢迎的第二代却是单屏设计5.5吋3664x1920 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LED(LEDoS, 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与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设备时,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或AMOLED显示器被广泛使用,而且许多面板厂商已经存在 ,像是JDI、SHARP和Samsung Display等。
 
VR和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,应用于可穿戴设备、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设备出货量实在太小,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、光学和设备的参考设计,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和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。LCoS、LBS和DMD虽然光机相对于LEDoS与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。
 
AR和VR显示器供应链和制造商   Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia
来源:Omdia
 
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