近年來，市面上出現了多款基於Micro LED和光波導的AR眼鏡，此類設計可實現小巧、輕便的眼鏡外觀，部分方案已實現彩色顯示。不過由於光波導光效問題，亮度輸入數百萬尼特，輸出只有數千尼特。近期，AR/VR光學專家Karl Guttag結合CES 2023上展示的Micro LED 光波導方案，詳細分析了各種不同設計的優缺點，以及此類方案面臨的挑戰和趨勢。
據了解，大部分中端手機的亮度約達500-700尼特，部分旗艦機的亮度可達到800甚至1000尼特。相比之下，一些光波導AR眼鏡為了能在戶外使用，亮度竟可達到數千尼特。光波導AR眼鏡需要很高的輸入亮度，除了在強光下顯示外，也是由於光瞳擴展和光線損失，光波導的效率較低，只有一小部分光線進入人眼。假如光源的亮度達數百萬尼特，進入人眼的可能只有數千尼特。
為什麼說光波導光效低呢？通常，大多數LED幾乎都是朗伯光，而光波導需要準直光。因此，一般會在Micro LED需配合小型光學器件（比如MLA微透鏡陣列）將光線部分準直，同時提升亮度。由於物理特性「光展度」，光波導的入射區面積嚴重限制了可輸入的光，這也被稱為光展度損失。儘管光波導的入射小，但是光線會在光波導上分散擴大，從而覆蓋FOV，此外擴瞳也會造成光損。
多款AR眼鏡採用JBD Micro LED 衍射波導
在CES 2023展台上，可以看到Vuzix、OPPO、TCL、Dispelix、WaveOptics等公司都展示了基於JBD Micro LED和衍射光波導的AR原型。除了衍射光波導外，還有瓏璟光電的二維擴瞳陣列波導，搭配了一個三屏全彩光機。而在Playntride展台上展示了Lumus陣列波導，這些公司選擇的光學方案不同，除了與光效有關外，也受到成本等其他因素推動。
在CES 2023期間，Guttag再次表示：
Lumus陣列光波導相比衍射光波導的光效優勢明顯，一方面是耦入面積大3到9倍，另一方面半反射面損失的光比衍射光柵少。因此Lumus的光效比衍射光波導高5到10倍以上，在亮度和功率上表現更好。
在PlayNitride展示QD Micro LED 二維陣列光波導，以及QD Micro LED 一維陣列光波導的方案。PlayNitride的全彩QD-Micro LED僅能輸出約15萬尼特，因此需要更高效的光波導。
雖然Micro LED亮度比Micro OLED高數百到一千倍以上，但Micro LED可能還需要5年或更長才能達到與Micro OLED的色控和均勻水準。因此短期內，像Birdbath、自由曲面、Pancake等更追求圖像質量，而非提升亮度，且光效比光波導更高的方案，也將繼續使用Micro OLED或LCD光源。與此同時，Micro OLED的亮度也將提高，甚至有公司預計提升至30K尼特。
JBD方案AR眼鏡
Guttag表示，JBD是他唯一知道的已量產Micro LED的公司，很多AR眼鏡在使用JBD 640x480解析度單綠色屏，比如Vuzix（Ultralite、Shield）、OPPO和WaveOptics。此外，JBD也在開發像素深度更高、解析度更高的方案。
目前，JBD的單綠色Micro LED色深為4bit，僅支持16個亮度級別，其顯示的輪廓線會伴隨著平滑的陰影區域，據悉正在設計更大亮度級別的產品。
Guttag表示：在過去一年中，JBD的Micro LED已經是市面上最均勻的，其像素間亮度差異在不斷改善。儘管如此，表現也有一些問題，例如在本應是實心的區域仍有明顯的顆粒感。
1）Vuzix
Vuzix Ultralite重38g，此前Vuzix光機幾乎都是DLP方案，而Shield和Ultralite則採用了單綠色Micro LED光機。在展台上，Vuzix展示了單綠色Micro LED、RGB Micro LED和DLP光機之間的大小差別，單綠色方案要小得多，不過DLP的優勢是可顯示真色彩，它們的解析度差別不大。
Vuzix應用Micro LED光機後亮度可達4100尼特，可滿足戶外使用需求。功率方面，Micro LED耗電量大約與平均像素值（APV）成正比，因此Ultralite功耗很小，一次充電正常可使用兩天。
2）OPPO
OPPO在CES 2023上展示了基於單綠色Micro LED（JBD）的AR眼鏡，外觀、圖像質量、解析度都與Vuzix Ultralite接近。
3）TCL
TCL展示了基於JBD的三色光機（3-Chip X-Cube，結合瓏璟光電波導）。Guttag表示：這款產品疑似衍射光波導，但和我此前見過的有明顯不同，出現了類似於陣列波導的條紋，而且光柵「寬度」要大得多。
4）歌爾&JBD模組
歌爾展示了單綠和全彩X-Cube Micro LED光機。值得注意的是，歌爾是多家大牌產品的代工廠，曾服務於蘋果、微軟、索尼、三星、聯想等公司。
顏色可調LED
去年，Porotech曾推出單紅色、單綠色、單藍色的InGaAs Micro LED方案，以及單像素全彩可調方案（DynamicPixelTuning，DPT），受到了很多關注。
下面是使用微距鏡頭拍攝的DPT演示效果，影片中展示了整塊屏幕色彩變化過程。
Ostendo幾年前就研發顏色可調的LED，此前其彩色堆疊Micro LED比較出名，六年前開始研發覆蓋全RGB色域的氮化鎵單片LED，並發表論文。不過，Ostendo方案似乎還停留在單色LED原型階段，還未進一步疊代。
Innovation Semiconductor正在研發一種將控制電晶體電路與InGaAs背板集成的技術，特點是替代了更常見的混合InAs、CMOS方案。此外，也在開發一種顏色可調LED製造工藝，稱為「V-grove」。Guttag表示：結合Innovation的論文來看，用V-grove工藝生產顏色可調LED，可能比Porotech、Ostendo方案更有效。
對於Innovation在GaN中集成電晶體的方案，Guttag擔心它能否在控制成本、像素尺寸的同時，保證集成控制電路的數量。
PlayNitride（藍色LED，支持QD空間顏色轉換）
PlayNitride展示了全彩色Micro LED方案，該方案為單藍色顯示，但可通過量子點（QD）技術轉換成紅色和綠色。該方案亮度為15萬尼特，比Micro OLED更亮，但比JBD、Porotech等原生RGB Micro LED要低得多（相當於十分之一）。
在CES 2023上，PlayNitride將Micro LED與Lumus光波導結合展示，儘管Lumus光波導光效高，但Micro LED的15萬尼特亮度還是不夠實用，而且像素間距大。
PlayNitride展示的只是原型，但也是CES上唯一個高解析度全彩色單片Micro LED（1Kx1K和1080p）。不過，其綠色和紅色明顯比藍色顯示更暗，紅色不夠正，更接近洋紅色（紅藍混色）。而且放大兩倍來看，其像素存在色差、亮度差異和顆粒現象。
QD空間顏色轉換與微顯示器
實際上，利用QD顏色轉換來將藍色和UV LED轉化為RGB LED的方案，已經提出多年。但在Micro LED這種微型顯示器上使用QD工藝，存在一些特殊問題。比如，空間顏色方案的像素太大，不適合AR/VR，即使像素變小，轉換色彩的QD層依然具有厚度，此外它還需要某種微型「擋板」，來防止相鄰的LED發出錯誤顏色。
一些方案採用更薄的QD層，但需要依靠濾色器來「清理」顏色，降低效率，還會產生熱量。值得注意的是，QD材料需要足夠耐用，才能不限制亮度。
MICLEDI的重組InGaS晶圓
MICLEDI成立於2019年，是比利時IMEC研究所的衍生公司，也是一家無晶圓Micro LED廠商。工藝特點是，每個晶片具有單一顏色，支持空間顏色（顏色並排）和堆疊顏色方案。MICLEDI還開發了基於GaN和AlinGAP的紅色工藝。
Guttag指出，從CES 2023展示的方案來看，MICLEDI目前似乎沒有明確的方向，主要是向其他廠商提供可授權的技術。儘管如此，MICLEDI的一大亮點是可使用100/150/200毫米Gan或AlinGAP晶圓，來製作「重組」PNP晶圓。這些重組晶圓可通過現有的300毫米CMOS晶圓工藝來實現覆晶封裝。
現階段，幾乎所有的LED製造都是在小尺寸晶圓上進行的，比主流的CMOS工藝所使用的晶圓小得多。通常，在製造LED時會將有間隔的LED陣列放在更大的CMOS晶圓上，來實現小型GaN晶圓覆晶封裝，丟棄了大部分多餘的CMOS晶圓。
堆疊式Micro LED
MIT在CES 2023期間公布了堆疊式RGB Micro LED工藝，似乎與Ostendo的研究內容相似。
Ostendo也在研究類似的技術，並將多個小型Micro LED拼接，來擴大FOV。MICLEDI也曾開發LED並排排列式固定色彩方案。
堆疊色彩的優勢是，可實現尺寸更小的RGB屏幕，缺點是上方的LED和電路會阻擋下方LED光線。因此，儘管堆疊式Micro LED可能比Micro OLED更亮，但沒有其他Micro LED方案亮。更重要的是，現階段紅色LED是效率最低的顏色，但它卻在堆疊方案的最底層。
由於堆疊式LED的亮度中等，它可能更適合跟非光波導光學模組結合。
總結
Guttag認為，很多公司都在押注Micro LED，並將它視作AR/VR微顯示技術的未來。不過在圖像質量方面，現有的Micro LED技術還無法和Micro OLED、LCoS、DLP競爭，而且在製造、技術上還有未解決的難題。
每種Micro LED製造工藝都有優缺點，還沒有一種整體最佳的方案。如果將Micro LED用於AR眼鏡，那麼它需要實現高亮度、低功耗、小尺寸、支持全彩顯示和高解析度。現階段，基於合色稜鏡、光波導等方案的單色顯示屏還不足以成為長期的AR方案。
換句話說，儘管市面上已經有多種Micro LED demo，但誰能量產尚無定論，一些原型僅為一次性手板，尤其是彩色Micro LED量產難度更高。
Guttag還指出，對於AR眼鏡來講，原生RGB LED比色彩轉換的藍色LED（如QD方案）更好。而至於單綠色AR眼鏡，雖然外形時尚、尺寸小巧、也足夠輕，但缺少合適的視力矯正機制，而且單色顯示可能限制消費者興趣。另外一個持續存在的問題，就是哪種光學模組最適合Micro LED，影響這一問題的因素包括LED光準直的程度。
Micro LED技術解析
1）Micro LED公司定義
成功的Micro LED公司不僅需要能製造LED，還需要設計完整的顯示方案，並能控制成本。Micro LED公司有很多種類，包括無晶圓設計公司，以及能設計和製造LED的公司，以及設計CMOS控制背板，或是能將InGaS組裝到CMOS背板上的LED公司。幾乎每家公司組裝Micro LED的流程或順序都不同。
比如JBD，就是利用Epi-layer工藝，在CMOS晶圓頂部外延LED，而有的其他公司，則是先在InGaN晶圓上形成LED，然後將完成的電晶體陣列鍵合到CMOS控制設備成品上。
現階段，還沒有通用的Micro LED工藝，更複雜的是，大多數InGaN製造是基於150毫米-200毫米的晶圓完成的。
2）微顯示器與直視像素尺寸
Micro LED技術可用於各種不同的顯示設備中，比如壁掛式顯示器、電視、微顯示器、AR/VR等等。AR使用的Micro LED通常比智慧型手機或手錶的像素小300到600倍左右，基於光波導的AR所使用的Micro LED與VR使用的Micro LED像素尺寸接近。
VR顯示方案本質上是一種直視顯示設計，其使用光學透鏡來聚焦光，但卻依賴降低像素尺寸來提升角解析度。AR和VR之間有一些共享的顯示元件，比如部分大尺寸AR眼鏡也會使用VR中常見的顯示屏，而Pancake VR頭顯則採用Micro OLED屏幕，一些Birdbath AR也是如此。
由於所需的像素尺寸不同，AR/VR、電視、智慧型手機使用的顯示技術也不同。尤其是AR採用的RGB Micro LED方案，與直視型顯示器的方案有較大差異。比如，一些顯示屏可通過藍色、紫外線的量子點轉換來擴大顯示區域，但這不能很好地滿足AR對於小尺寸像素的需求。
3）多色、全彩色、真彩色
為了便於討論，Guttag為RGB顯示方案提出了三個分類：多色、全彩色和真彩色，它們的定義如下：
多色（JBD）：包括RGB等多種可識別的顏色，適用於顯示基本信息和顏色編碼，缺點是色控和色彩飽和度不夠好，顯示照片的效果更像卡通，而且平滑陰影看起來有明顯的輪廓線；
全彩色（PlayNitride）：支持廣泛的色域，顯示光滑表面沒有明顯輪廓，但在顯示人物照片時色控能力不足；
真彩色：支持相當準確的色控，可顯示純白色和純黑色，面部和膚色顯示效果不錯，表面輪廓不明顯。
Guttag指出，人眼對於膚色非常敏感，但在判斷卡通顏色正確方面能力較弱，因此在看動畫片時很難區分解析度。一些AR原型由於校準過程未完成，所以常用卡通圖像來展示色彩，而很少展示真人圖像，因為顯示真人需要精準的色控能力。除此之外，一些AR眼鏡在顯示靜止照片時，會比顯示動態影片/圖像更容易看出問題。
目前，大多數Micro LED屏幕都在追求多色顯示，而距離真彩色還有較遠的距離。好在，現階段大多數AR應用只需要多色顯示方案。另外，Guttag表示：迄今為止，我了解過的每款Micro LED都存在明顯的像素間差異，如果無法準確控制演示額，那麼使用再多的校正或mura校正也很難清晰顯示照片。參考：Karl Guttag
