Micro-LED應用于近眼顯示的現(xiàn)狀與趨勢

Micro-LED技術(shù)源于美國貝爾實驗室微盤激光器技術(shù)^［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(shù)制備了8×8的Micro-LED的有源驅(qū)動陣列，并且在2011年使用了三色熒光粉實現(xiàn)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(fā)量子點實現(xiàn)全彩化的Micro-LED；2020年Kim等人^［9］提出了一種有效的技術(shù)，通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)格的深紫外Micro-LED器件，其中10 μm×10 μm的深紫外Micro-LED在連續(xù)波發(fā)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(shù)的搜索分析，Micro-LED相關(guān)文章的搜索數(shù)量從2000年開始逐漸增長。從2006年開始，該領(lǐng)域更是呈指數(shù)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(yè)都將Micro-LED技術(shù)視為下一代的顯示技術(shù)。圖1為近幾年Micro-LED的關(guān)鍵性研究進展節(jié)點。雖然Micro-LED在顯示方面有著顯著的優(yōu)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(zhuǎn)移、檢測技術(shù)等方面仍然存在著一些瓶頸。并且Micro-LED的良率問題、發(fā)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(fā)展歷程圖

Fig.1  Development history of Micro-LED

Micro-LED的制備工藝與傳統(tǒng)的LED制備工藝有一定的相關(guān)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(fā)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(jié)構(gòu)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(qū)和p-GaN層，之后通過電子束蒸發(fā)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。

圖2  （a）單氮化鎵基頂發(fā)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.

Micro-LED陣列可通過不同的制備方法獲得，根據(jù)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(qū)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］。

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(xiàn)，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(zhàn)，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(tǒng)為核心的光學設計過程則顯得尤為重要。

人眼是一個優(yōu)秀的高動態(tài)感光系統(tǒng)，能實時處理5個數(shù)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^-3~10⁴ lx的寬域照度^［50］。因此為了再現(xiàn)真實的場景，近眼顯示設備需要滿足高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）^［51］。為了實現(xiàn)HDR，顯示器需要有高峰值的亮度（L_p>1 000 cd/m²）和較暗的狀態(tài)（L_p<0.01 cd/m²），因此對比度是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)^［52］。VR眼鏡要求沒有環(huán)境光的干擾，且抑制VR設備內(nèi)部的雜散光，使得對比度達到1 000∶1以上。但是對于AR系統(tǒng)來說，要考慮環(huán)境光的影響，在室外環(huán)境光比較強的情況下，則需要AR系統(tǒng)能夠提高更高的亮度。

3D顯示技術(shù)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(wǎng)膜上所成的像稍有差異，經(jīng)過大腦的處理，可以感受到立體的圖像^［53-55］。3D顯示技術(shù)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(shù)的VR系統(tǒng)通過平板顯示的方式生成圖像信息，這將產(chǎn)生輻輳調(diào)節(jié)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(chǎn)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(diào)節(jié)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，F(xiàn)OV）大約為水平160°和垂直130°，兩眼相結(jié)合的水平視場角大約有200°，水平相重疊的區(qū)域大約有120°^［57］。對于AR系統(tǒng)來說，現(xiàn)有的AR顯示器的視場大小尚不能滿足人眼視覺系統(tǒng)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(quán)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(qū)域可移動的近眼顯示器，其關(guān)鍵的Pancharatnam-Berry光學元件可追蹤眼球并切換相應的顯示區(qū)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(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)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(qū)域，脫離這個區(qū)域視力急劇下降^［69］。因此只有在中央的區(qū)域才需要高分辨率，這就提出了中央凹顯示（Foveated Display）技術(shù)的概念^［70］。在中央凹顯示技術(shù)中，整個觀察區(qū)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(xiàn)，但是卻增大了近眼顯示設備的大小，而Micro-LED顯示技術(shù)有高的分辨率和小體積，并且壽命長的優(yōu)勢，應用于近眼顯示設備更有利于實現(xiàn)這種技術(shù)。

圖8  人眼的視場范圍

Fig.8  Feld of view of the human eye

隨著智能手機的發(fā)展，形成了AR和VR的熱潮，并且得益于芯片的發(fā)展，近眼顯示的功能也越加完善和豐富，將AR/VR相結(jié)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(xiàn)實（Mixed Reality，MR），或稱之為擴展現(xiàn)實（XR）^［71］，圖9展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的圖譜關(guān)系，從完全的現(xiàn)實到純粹的虛擬^［72］。

圖9  虛擬現(xiàn)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(huán)境光。FOV、動眼框（Eyebox）、傳輸效率及MTF等參數(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(gòu)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(tǒng)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(xiàn)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(gòu)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(xiàn)有全息波導型AR系統(tǒng)的主要優(yōu)點，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示?；诩沙上裆傻脑貓D像由微顯示器顯示，元素圖像經(jīng)過全息微鏡陣列重構(gòu)3D圖像，重構(gòu)后的3D圖像的非相干光束在波導內(nèi)經(jīng)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(tǒng)原理圖

Fig.11  3D see-through AR display system

當光在波導內(nèi)傳播時，波導的折射率決定全內(nèi)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(nèi)部傳輸?shù)墓夥瓷淙肴搜?，每一層的部分反射面形成一個出瞳可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)所衍射，形成串擾?？赏ㄟ^設計多層光柵結(jié)構(gòu)來解決此問題，如微軟Hololens 2使用了兩層光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)全彩化。波導中最關(guān)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(xiàn)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(tǒng)，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(gòu)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(jié)構(gòu)圖；（b）表面浮雕光柵光波導結(jié)構(gòu)圖；（c）體全息光柵光波導結(jié)構(gòu)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.

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(zhuǎn)變。第一個3D技術(shù)可追溯到1838年，由Charles Wheatstone提出，這項技術(shù)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(xiàn)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(xiàn)了可容納更多深度信息的3D顯示方法^［89-91］。1948年，Dennis Gabor發(fā)現(xiàn)了全息顯示技術(shù)的原理^［92］，這項技術(shù)最初被用于提高電子顯微鏡的分辨率。直到1960年，激光的發(fā)明標志著光學全息技術(shù)的開始。在過去的30年里，LCD、OLED、LCoS等平板顯示器的發(fā)展，加速了3D技術(shù)的發(fā)展，并逐漸將光學架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱┐髟O備^［93-96］。

得益于VR技術(shù)的迅速發(fā)展，Oculus、Huawei VR Glass、Pico等部分VR設備價格也比較低廉，但AR設備的生產(chǎn)成本卻較高。目前大多數(shù)的AR/VR設備都是通過立體視覺來實現(xiàn)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(guān)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)。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(shù)，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(tǒng)的光功率來實現(xiàn)多焦平面，可以區(qū)分為基于距離的系統(tǒng)和基于功率的系統(tǒng)，并且可以通過同時調(diào)節(jié)光學距離與系統(tǒng)光功率實現(xiàn)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(xiàn)^［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(gòu)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(shù)、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(xiàn)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(xiàn)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。

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） Polarization-multiplexed multi-focal-plane display； （d） Wavelength-multiplexed multi-focal-plane display.

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(diào)制，為二維圖像創(chuàng)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(lián)，創(chuàng)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(guān)光學元件組成。

波長復用的多焦平面系統(tǒng)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(zhàn)。如在每個顏色通道中混合波長會直接影響色彩表現(xiàn)，并且濾波器的角度要求較高。

集成成像利用透鏡或針孔陣列等周期性光學結(jié)構(gòu)，將光的空間信息從二維元素圖像轉(zhuǎn)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?？梢酝ㄟ^采用快速掃描鏡或高幀率空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）來臨時創(chuàng)建多視圖，其中高速顯示和視點轉(zhuǎn)換設備是多視圖結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵^{［115-116］}。近年來，大量基于HOEs的集成成像系統(tǒng)被報道^{［117-119］}。具有光學透明度的HOEs可以實現(xiàn)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(shù)，其可以通過再現(xiàn)三維物體發(fā)出的光的振幅和相位信息實現(xiàn)3D顯示^{［120-123］}。傳統(tǒng)的光學全息術(shù)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(xiàn)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(guān)注^［124］。

盡管全息技術(shù)被冠以終極3D顯示的名號，但在商業(yè)AR/VR產(chǎn)品的實際應用方面仍有很長的路要走。當前其主要的技術(shù)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(quán)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］。