XR 頭戴式顯示器 (HMD) 今年已經(jīng)推出幾款新產(chǎn)品。其中備受關(guān)注的一項(xiàng)就是micro OLED技術(shù)。今天這里，我想概述一下 Micro OLED 是如何改變 HMD 的？

采用經(jīng)濟(jì)半導(dǎo)體技術(shù)制造微型顯示器

首先什么是Micro OLED？由于OLED代表有機(jī)EL，它一定是智能手機(jī)和電視中使用的一種有機(jī)EL顯示器。但是，制造方法和特性卻大不相同。普通的 OLED 被制造為顯示面板。這是因?yàn)槟康氖亲鲆粋€(gè)有一定面積的顯示器。電視有適合電視的顯示器，智能手機(jī)有適合智能手機(jī)的顯示器，這是根據(jù)每種應(yīng)用產(chǎn)品需要的尺寸來制造的。

另一方面，Micro OLED 最初并非以制造大尺寸為前提。顧名思義，Micro OLED是一種被稱為微型顯示的顯示器，其主要用途是通過鏡頭將其放大或安裝在投影儀上的。

微顯示器有多種技術(shù)。在投影儀中使用的一種名為L(zhǎng)COS（Liquid Crystal On Silicon）的顯示器，該技術(shù)是采用液晶技術(shù)的微小反射式顯示器，它反射強(qiáng)光源的光，然后將其放大，過去一直都用在投影儀上。

采用 LCOS 的原因是可以使用具有經(jīng)濟(jì)效益的半導(dǎo)體制造工藝來生產(chǎn)高分辨率顯示器。Micro OLED也是出于這個(gè)想法。它必須被安裝在狹小的空間內(nèi)，主要是為需要高分辨率和顯色的領(lǐng)域開發(fā)的。

到目前為止，主要用途是取景器。當(dāng)今的取景器大多使用Micro OLED，顯色性和圖像響應(yīng)速度堪稱完美。過去，有人說專業(yè)人士只使用光學(xué)取景器，但如今已不再如此。比如索尼旗艦相機(jī)α1的取景器，其分辨率約為944萬(wàn)點(diǎn)（QXGA），幀率高達(dá)240Hz。

優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然是小而輕、具有高分辨率和高像素密度。下圖是索尼為了說明micro OLED而發(fā)布的，但即使是同一個(gè)OLED，由于制造方法不同，像素之間也幾乎沒有縫隙。

換句話說，由于制造方法的差異，不可能進(jìn)行較大的尺寸生產(chǎn)。這無(wú)關(guān)哪個(gè)更好，只是目的不同而已。

Megane X和Nreal Air都使用了micro OLED

Micro OLED 受到關(guān)注的原因很簡(jiǎn)單。這是因?yàn)樾乱淮?HMD 的采用MicroOLED的數(shù)量正在增加。松下子公司 Shiftall 在 2022 年 1 月發(fā)布的“Megane X”和 3 月發(fā)布的智能眼鏡“Nreal Air”都使用了 micro OLED。Micro OLED采用的器件的特點(diǎn)是“輕”、“高分辨率”，同時(shí)又“高像素密度”。說白了就是“佩戴舒適，形象自然”。

Nreal Air顯示器的分辨率為單眼1920 x 1080，視角較窄，但分辨率和像素密度相當(dāng)不錯(cuò)

智能眼鏡Nreal Air像素之間沒有間隙，具有很高的顯色性和分辨率。Megane X也是如此，它的特點(diǎn)是像素密度高，畫質(zhì)非常自然。與Meta的《Meta Quest 2》相比，分辨率和像素密度都很高，可以牢牢地讀取字符和細(xì)節(jié)。

在 Nreal Air 上觀看視頻時(shí)的屏幕截圖

MeganeX的Micro OLED 的高畫質(zhì)，輕便且易于佩戴

這里再舉一個(gè)例子，去年 12 月，索尼在2021 年技術(shù)日活動(dòng)中推出了一款正在為 HMD 開發(fā)的Micro OLED 和使用它的XR設(shè)備，以展示正在開發(fā)的技術(shù)。HMD 和設(shè)備不是PlayStation VR2 索尼互動(dòng)娛樂計(jì)劃發(fā)布的。

索尼2021年底發(fā)布的Micro OLED for HMD和使用它的HMD原型

該設(shè)備大約1英寸包含 4K x 4K 點(diǎn)，PPI為4000。區(qū)別很明顯，智能手機(jī)的顯示屏從 400 到 500 PPI 不等。

國(guó)內(nèi)外多家公司研發(fā)制造

Micro OLED 早期的制造商包括索尼、愛普生、eMagin 和 Kopin。愛普生將自己的MicroOLED 用于 HMD MOVERIO ，而索尼是取景器的主要參與者。

EMAgin的Micro OLED，分辨率最高為 2K x 2K

國(guó)內(nèi)廠商也在進(jìn)入市場(chǎng)，京東方、視涯科技、湖畔光電、云南奧雷德、夢(mèng)顯、熙泰等布局多年，預(yù)計(jì)未來產(chǎn)量將大幅增加。

視涯科技

除了Micro OLED 之外，還有許多使用LCOS的設(shè)備。LCOS 用在微軟的第一款“HoloLens 1”和“Magic Leap 2”中，而在“HoloLens 2”中，使用了微型鏡面反射激光的“MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）。

但目前，考慮到亮度和顯色等因素，micro OLED更具有優(yōu)勢(shì)。也有使用 LED代替OLED的Micro LED，但這些目前主要是單色的。綠色常用于專門用于信息顯示的智能眼鏡，但全彩頭顯仍需技術(shù)開發(fā)。

OPPO Air Glass采用綠色MicroLED，其中不少設(shè)備采用綠色單色MicroLED

HMD結(jié)構(gòu)淺析

那么這對(duì) HMD 有什么影響呢？要了解它，您還需要了解 HMD 的結(jié)構(gòu)。HMD是一種頭戴式顯示器，目的是將圖像傳遞給眼睛，從而覆蓋廣闊的視野。目前主流的HMD是在2012年公布的Oculus Rift（DK1）的影響下設(shè)計(jì)的。

簡(jiǎn)單地說，就是將具有一定分辨率或更高分辨率的平板顯示器放在眼睛附近，用鏡頭將圖像放大到整個(gè)視野。由于圖像的周邊部分發(fā)生了畸變，因此圖像側(cè)的周邊部分需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行處理和輸出，這樣可以在通過鏡頭時(shí)使得畸變有所減少。

引自iFixit 的Meta Quest 2拆解頁(yè)面

那么AR呢？在這種情況下，兩種結(jié)構(gòu)是可能的。

一種是一起使用相機(jī)。這種方法也稱為視頻透視，但頭顯的結(jié)構(gòu)與VR相同，這里只要投影的圖像發(fā)生了變化就行。

另一種是AR的主流透視方法。通過以某種方式使圖像半透明，這是一種使圖像看起來與實(shí)際場(chǎng)景重疊的方法。由于其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因此具有使HMD更輕、更容易制造的特點(diǎn)。

目前有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)半透明視頻，但最常見的是將來自顯示器的視頻投影到半反射鏡上。例如，在Nreal Air中，附著在眼鏡頂部的顯示器通過棱鏡半反射鏡彎曲90度傳遞到眼睛，這樣就可以在實(shí)際場(chǎng)景中看到圖像。

從Nreal Air 的照片可以看到眼睛上方有一個(gè) Micro OLED，它彎曲 90 度到達(dá)眼睛

向半反射鏡傳送影像的方法雖然有所不同，但目前只要能理解就足夠了。

如何克服視角的弊端很重要

將Micro OLED 用于 HMD 的想法絕非什么新鮮事。在Oculus Rift 發(fā)布之前，索尼在 2011 年發(fā)布的 HMD  HMZ-T1 使用的就是 1280 x 720 的 0.7 英寸的MicroOLED。

索尼2011年11月發(fā)布“HMZ-T1”，11年前高清分辨率驚人，但專門用于視頻觀看，視角窄

然而，這種方法曾經(jīng)一度被否，而使用LCD和OLED等平板顯示器的方法首先變得普遍。知道為什么嗎？

原因是光學(xué)設(shè)計(jì)難以覆蓋整個(gè)視野。使用更大的區(qū)域來覆蓋您的視野會(huì)更容易。即使您想將鏡頭擴(kuò)展到全視場(chǎng)并使其易于對(duì)焦，設(shè)計(jì)鏡頭也不是那么困難。在顯示器和眼睛之間有一個(gè)透鏡的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)就足夠了。

然而，當(dāng)小屏幕被大大放大時(shí)，故事就發(fā)生了變化。通過在顯示器和眼睛之間放置一個(gè)鏡頭并將光直接傳遞到眼睛的直視光學(xué)系統(tǒng)，顯示器越小，鏡頭越大，到眼睛的距離就越遠(yuǎn)。這就是特殊鏡頭的用武之地?？梢哉f，即使使用特殊鏡頭，也越來越需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)分辨率、像素密度和顯色。

Megane X采用的方法是使用了 Kopin 和松下聯(lián)合開發(fā)的光學(xué)系統(tǒng)。通過使用 Kopin 開發(fā)的Pancake鏡頭制作一種不太可能導(dǎo)致圖像失真和色偏的頭戴式顯示器，同時(shí)減少與眼睛的距離并減輕鏡頭的重量。Megane X的重量約為 250g，但原因是它沒有電池，可以減輕鏡頭和顯示器的重量。Pancake這種類似技術(shù)的方法已經(jīng)存在了一段時(shí)間?？梢酝茢?，其他公司正在開發(fā)使用具有類似光學(xué)系統(tǒng)的Micro OLED 的 HMD。

摘自Kopin 2，通過使用特殊鏡頭實(shí)現(xiàn)了使用微型 OLED 的緊湊輕量級(jí) HMD

缺點(diǎn)是仍然難以增加視角。Megane X的視角尚未公布，但似乎不到 100 度。對(duì)于 VR HMD 來說，它有點(diǎn)窄。

至于透視AR，不能像上面描述的那樣遮住眼睛，所以需要使用更特殊的光學(xué)系統(tǒng)。此外，由于它的設(shè)計(jì)往往強(qiáng)調(diào)輕盈，因此限制較多。許多產(chǎn)品的視角比 VR 更窄，這是權(quán)衡的結(jié)果。

考慮到分辨率的技術(shù)演進(jìn)，micro OLED 是否比平板顯示更有優(yōu)勢(shì)？

綜上所述，毫無(wú)疑問，Micro OLED 的發(fā)展對(duì) HMD 很重要。當(dāng)然，尤其是VR，還是會(huì)有一些像以前一樣使用平板顯示的產(chǎn)品，但是當(dāng)要求單眼分辨率達(dá)到2.5K以上時(shí)，micro OLED就會(huì)變得更有優(yōu)勢(shì)。

典型的顯示面板已經(jīng)達(dá)到不需要更多分辨率的水平。但是，我仍然想要 VR / AR 中的分辨率。但是，是否要投入巨資制造僅用于 VR/AR 的高分辨率顯示面板，將是一個(gè)決定。在這種情況下，難怪人們對(duì)不斷發(fā)展并具有更高分辨率的設(shè)備（例如MicroOLED）充滿期待。

此外，對(duì)于不覆蓋視野的透視HMD，需要使用小型顯示設(shè)備，因此MicroOLED也受到關(guān)注是有原因的。