周自平，黎 垚，嚴(yán)銀菓，江昊男，陳恩果，2*，徐 勝，2，葉 蕓，2，孫 捷，2，嚴(yán) 群，2，郭太良，2

（1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院平板顯示技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108；2. 中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室），福建 福州 350108）

1 引 言

近年來，顯示器件作為最關(guān)鍵的信息獲取媒介，在第三次革命之后得到了迅速的發(fā)展，從笨重的陰極射線管發(fā)展到現(xiàn)在緊湊的平板顯示技術(shù)，例如液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、量子點(diǎn)發(fā)光二極管（Quantum Dot Light Emitting Diodes，QLED）、微發(fā)光二極管（Micro-LED）等。隨著顯示技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對高質(zhì)量的視頻和圖片的要求越來越高，因此對于沉浸式的視覺體驗(yàn)的需要也逐步提升。

頭戴式顯示器（Head Mounted Displays，HMDs）也稱為近眼顯示器，是實(shí)現(xiàn)沉浸式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Re?ality，VR）的重要設(shè)備。早在20 世紀(jì)50 年代，AR和VR 就已經(jīng)應(yīng)用在國防領(lǐng)域［1］，而隨著2021 年“元宇宙”概念的提出，近眼顯示設(shè)備被認(rèn)為是元宇宙的門戶而成為了研究熱點(diǎn)。

近眼顯示系統(tǒng)中可作為光學(xué)引擎的微顯示屏有硅基液晶（Liquid-Crystal-on-Silicon，LCoS）顯示器、數(shù)字光處理（Digital Light Processer，DLP）顯示器、Micro-OLED、Micro-LED 等。Micro-LED技術(shù)由S. X. Jin 等人于2000 年首次提出［2］，此后世界上各大公司和研究院所對Micro-LED 顯示展開了大量的研究。對比于傳統(tǒng)顯示技術(shù)，Mi?cro-LED 擁有出色的亮度、高發(fā)光效率、低能耗、高反應(yīng)速度、高對比度、超高解析度與色彩飽和度等，被認(rèn)為是理想的顯示技術(shù)。Micro-LED 具有LED 所擁有的大部分優(yōu)點(diǎn)，還具有體積小、易拆解、靈活度高的特征，可以覆蓋絕大多數(shù)的顯示 應(yīng) 用 場 景［3］。在2021 年CES 展 會 上 三 星The Wall 系列產(chǎn)品再次升級，其擁有大約2 400 萬個(gè)可單獨(dú)、主動式發(fā)光Micro-LED 光源，BOE 也展示了采用玻璃基板主動驅(qū)動方式的Micro-LED顯示產(chǎn)品，無不凸顯著Micro-LED 顯示產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度。

相對于大面積Micro-LED 顯示產(chǎn)品，近眼顯示中Micro-LED 的應(yīng)用也已經(jīng)開始出現(xiàn)原型產(chǎn)品，并且在AR 顯示中嶄露頭角。Vuzix 公司發(fā)布了以Micro-LED 為光學(xué)引擎的AR 眼鏡，所采用的是光波導(dǎo)加Micro-LED 光源的形式，其外觀更接近于傳統(tǒng)的普通眼鏡。光波導(dǎo)是極佳的近眼3D 顯示載體，可通過光學(xué)元件形成雙目視差來實(shí) 現(xiàn) 近 眼 的3D 顯 示。2021 年，Snapchat 的 母 公司Snap 推出了AR 智能眼鏡，可以將3D 效果映射到佩戴者的周圍環(huán)境。同年雷鳥創(chuàng)新、小米科技、OPPO 等科技公司均發(fā)布了自己的AR 智能眼鏡，其方案都是Micro-LED 與衍射光波導(dǎo)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)AR 顯示。

在Micro-LED 和近眼顯示技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，本文旨在梳理Micro-LED 的研究進(jìn)展，并總結(jié)其在近眼AR 顯示中的發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析Micro-LED 應(yīng)用于近眼顯示的優(yōu)劣勢，最后，對Micro-LED 應(yīng)用于近眼顯示的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

2 Micro-LED 研究進(jìn)展

2.1 Micro-LED 技術(shù)的發(fā)展

Micro-LED 技術(shù)源于美國貝爾實(shí)驗(yàn)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(bào)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(shí)現(xiàn)了Micro-LED 的 全 彩 化 顯 示［7］。在 顯 示 應(yīng) 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(bào)道了采用UV 光激發(fā)量子點(diǎn)實(shí)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(jī)變色材料的混合物，在藍(lán)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(jìn)展，并且采用量子點(diǎn)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(xué)與香港科技大學(xué)及中國科學(xué)院蘇州納米所組成的團(tuán)隊(duì)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(dá)到了185 W/cm2，最高的外量子效率達(dá)到了3.43%［11］。

通過Google 學(xué)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(jì)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(jìn)展節(jié)點(diǎn)。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(dá)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

2.2 Micro-LED 的結(jié)構(gòu)與工藝

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(lán)寶石襯底等，以基于藍(lán)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(gè)Micro-LED 的 方 法［15-17］。首 先，通 過 金 屬 有 機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD）在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)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(kuò)散層的作用，具有低電阻率和高透光率的特點(diǎn)。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(jìn)行熱退火，形成p-GaN 的p 型歐姆接觸。通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)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。

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(gè)典型的無源尋址Micro-LED陣列的示意圖。每個(gè)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(gè)Micro-LED 都有一個(gè)公共的n觸點(diǎn)和一個(gè)獨(dú)立的p 觸點(diǎn)用于單獨(dú)尋址［19］。

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.

2.3 Micro-LED 面臨的挑戰(zhàn)

2.3.1 顯示屏的制備

Micro-LED 顯示屏的制備是實(shí)現(xiàn)近眼顯示設(shè)備的基礎(chǔ)，其制備工藝首先要將大量Micro-LED 晶粒組裝成Micro-LED 陣列，然后將這些單元陣列轉(zhuǎn)移到接收基板上，再通過單片異質(zhì)技術(shù)集成到光電系統(tǒng)中［20］。根據(jù)屏幕尺寸的不同，Micro-LED 可以單獨(dú)、分組或作為整個(gè)陣列進(jìn)行組裝和轉(zhuǎn)移［21］?；诖蟪叽缙聊唤M裝的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)是將襯底上的Micro-LED 磊晶單獨(dú)或分組地拾取并轉(zhuǎn)移到帶有驅(qū)動電路的基板上。用作近眼顯示設(shè)備的Micro-LED 屏幕尺寸較小且應(yīng)具備較高的像素密度，通常選擇適合小型顯示的單片集成技術(shù)來制造此類小間距Micro-LED顯示屏，如圖3 所示，直接將數(shù)十萬個(gè)Micro-LED的完整單片陣列與背板混合集成來實(shí)現(xiàn)［22］。

圖3 單片集成制造流程圖Fig.3 Monolithic integration manufacture

單片集成技術(shù)的原理是將襯底上小間距磊晶與兼容該間距的有源矩陣驅(qū)動電路通過焊接集成在一起［21］。在這個(gè)過程中需要將每個(gè)單獨(dú)的LED 磊晶焊接到有源矩陣的相應(yīng)焊盤上，對齊和鍵合是這兩個(gè)獨(dú)立元件集成的重要因素。目前已有的單片集成技術(shù)包括金屬布線、微管粘接和粘合劑粘接等［23］。金屬布線是比較常規(guī)的集成技術(shù)，主要采用共晶的方式對倒裝芯片進(jìn)行焊接［24］，該技術(shù)的關(guān)鍵是共晶材料的選擇和焊接溫度的控制，但鍵合時(shí)較高的溫度可能會對Micro-LED芯片造成損傷，且工藝成本較高。Jiang［25］等人使用共晶技術(shù)將倒裝芯片鍵合到15 μm 以下間距的驅(qū)動上進(jìn)行顯示應(yīng)用。倒裝芯片可靠的集成性對于提高成品良率是有利的，但與10 μm 及以下間距的電路不兼容限制了其發(fā)展，在接線與倒裝芯片鍵合時(shí)需要加熱，襯底的熱膨脹系數(shù)不同可導(dǎo)致熱失配造成器件損壞。微管粘接是由Leti公司提出技術(shù)方案［26］，適用于10 μm 左右間距的器件進(jìn)行焊接，微管可以生長在Micro-LED 上作為焊接的媒介，也可以生長在背板上減少背板的制作難度。針對近眼顯示對高亮度、高像素密度微顯示器件的需求［27］，Templier 等人于2016 年實(shí)現(xiàn)了使用微管粘接技術(shù)集成像素間距為10 μm的Micro-LED 器件［28］，并進(jìn)一步在2017 年 成 功 將 像素間距縮小為3 μm［29］。近年來，Micro-LED 器件的像素間距朝著更小的趨勢發(fā)展，并且出現(xiàn)了發(fā)光像素在1 μm 以內(nèi)的LED 器件，即Nano-LED，這為高像素密度的近眼顯示提供了技術(shù)儲備［30-32］。粘合劑粘結(jié)技術(shù)是使用各向異性導(dǎo)電膜（ACF）通過熱壓工藝進(jìn)行集成［33］。ACF 可以在Micro-LED 和底部電極之間產(chǎn)生牢固的附著力和相互連接，但由于ACF 自身結(jié)構(gòu)的限制，無法滿足小尺寸的Micro-LED 鍵合需求，呈現(xiàn)出一定的局限性。盡管Micro-LED 在微顯示的集成技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是集成技術(shù)的可擴(kuò)展性仍然是其商業(yè)化道路上的挑戰(zhàn)。圖4（a）所示為利用銦凸點(diǎn)將硅CMOS IC 與Micro-LED陣列進(jìn)行倒裝鍵合的橫截面示意圖，圖4（b）展示了膠粘劑鍵合技術(shù)，圖4（c）為顯示微管鍵合流程圖［34-35］。

圖4 （a）利用銦凸點(diǎn)將硅CMOS IC 與Micro-LED 陣列進(jìn)行倒裝鍵合的橫截面示意圖；（b）膠粘劑鍵合；（c）顯示微管鍵合。Fig.4 （a）Cross-sectional schematic of flip-flop bonding of a Si CMOS IC to a Micro-LED array using indium bumps；（b）Adhesive bonding；（c）Display micro-tube bonding.

Micro-LED 的轉(zhuǎn)移技術(shù)也是顯示屏幕制備的關(guān)鍵，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)已經(jīng)取得一些研究進(jìn)展，包括抓取釋放法、自組裝法、激光轉(zhuǎn)移法等［36-37］。對于小尺寸Micro-LED 顯示，需要將組裝好的顯示陣列的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行剝離轉(zhuǎn)移，目前大多采用激光技術(shù)對襯底進(jìn)行剝離。Optovate 公司提出一種圖案化激光剝離技術(shù)［38］，如圖5 所示，使用激光束照射在藍(lán)寶石晶圓的生長界面處，導(dǎo)致界面處發(fā)生光與物質(zhì)相互作用，氮化鎵層被燒蝕分解成液態(tài)鎵和氮?dú)?，從而釋放芯片與襯底脫離，集成到目標(biāo)基板上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的顯示陣列。采用激光剝離的方式避免了對芯片的抓取，能有效提高轉(zhuǎn)移的精度和效率，但這種方法缺點(diǎn)也很明顯，在激光剝離過程中可能會使Micro-LED 芯片表面出現(xiàn)凹陷和裂紋等損傷，影響工藝良率?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)移技術(shù)要在保證成本效益的條件下實(shí)現(xiàn)高精度、高良率的轉(zhuǎn)移還比較困難，是制約Micro-LED 商業(yè)化進(jìn)程的瓶頸技術(shù)。

圖5 激光剝離轉(zhuǎn)移過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser-induced forward transfer

2.3.2 全彩化

近眼顯示設(shè)備需要Micro-LED 提供高分辨率、高像素密度圖像的同時(shí)，還需要全彩化的視覺效果來滿足沉浸性的體驗(yàn)。Micro-LED 陣列實(shí)現(xiàn)單色顯示是通過倒裝結(jié)構(gòu)封裝和驅(qū)動基板貼合實(shí)現(xiàn)，但要實(shí)現(xiàn)全彩顯示就相對復(fù)雜，大尺寸的屏幕可以分3次巨量轉(zhuǎn)移RGB 三色Micro-LED 晶粒來實(shí)現(xiàn)全彩顯示［39］，而小尺寸屏幕也可以采用UV/藍(lán)光LED 加上發(fā)光介質(zhì)的方法實(shí)現(xiàn)色彩轉(zhuǎn)換［40］。該方法通過紫外或藍(lán)色等短波長的LED發(fā)光激發(fā)量子點(diǎn)或熒光粉材料的方式，可以在單一的InGaN/GaN 材料上實(shí)現(xiàn)RGB 發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)色彩轉(zhuǎn)換。發(fā)光材料的涂覆一般在Micro-LED 陣列與驅(qū)動電路集成之后。

目前使用的發(fā)光介質(zhì)一般分為熒光粉和量子點(diǎn)，由于熒光粉粒徑較大，限制了其在小尺寸Micro-LED 上的應(yīng)用。量子點(diǎn)是一種納米材料［40］，在藍(lán)光/UV 照射下會進(jìn)行光致發(fā)光，且發(fā)光顏色與粒徑的大小有關(guān)。與普通的InGaN 藍(lán)光激發(fā)熒光粉合成白光的LED 不同，量子點(diǎn)被激發(fā)后易于調(diào)控出射光的發(fā)射波長，可以提供所需的色彩輸出。使用該方法獲得全彩顯示的主要挑戰(zhàn)是如何將發(fā)光介質(zhì)精確地放置到子像素上，目前常采用旋轉(zhuǎn)涂布、霧狀噴涂技術(shù)來開發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)，即使用噴墨打印技術(shù)噴涂出均勻且尺寸可控的量子點(diǎn)，裝置與原理示意圖如圖6 所示。將其涂覆在UV/藍(lán)光LED 上，其受激發(fā)出RGB 三色光，再通過色彩配比實(shí)現(xiàn)全彩色化［41］。由于量子點(diǎn)具有較窄的半峰寬和較寬的吸收光譜，并且很高的發(fā)光效率，應(yīng)用在Micro-LED 顯示上會得到色彩純度與飽和度較高的畫面，因此小尺寸的Micro-LED 通過量子點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換是一種可行的方案［42-45］。

圖6 基于量子點(diǎn)的Micro-LED顯示全色發(fā)光的工藝流程Fig.6 Micro-LED display panchromatic luminescence based on quantum dots

目前，量子點(diǎn)技術(shù)存在著材料穩(wěn)定性差、散熱要求高、壽命短且需要密封、顏色均勻性不佳、重吸收等問題［46］，限制了其應(yīng)用于Micro-LED 色彩轉(zhuǎn)換，是目前Micro-LED 應(yīng)用在近眼顯示設(shè)備進(jìn)程中面臨的巨大挑戰(zhàn)。

除了制備工藝與全彩化的挑戰(zhàn)，Micro-LED應(yīng)用于近眼顯示還需要關(guān)注其芯片發(fā)光效率隨著尺寸減小而急速下降的問題，以及潛在的環(huán)境光干擾與色差等問題［47-49］，并且其現(xiàn)階段的制造良率和所帶來的高成本問題也有待解決。

3 近眼顯示的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 人眼的視覺特性

舒適性和沉浸性是近眼顯示設(shè)備的評價(jià)指標(biāo)，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(jià)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(shè)備的沉浸性可使使用者身臨其境。為了應(yīng)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(xué)設(shè)計(jì)過程則顯得尤為重要。

人眼是一個(gè)優(yōu)秀的高動態(tài)感光系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)處理5 個(gè)數(shù)量級以上的照度，并且具有長時(shí)間適應(yīng)能力，最多可以感受到10-3～104lx 的寬域照度［50］。因此為了再現(xiàn)真實(shí)的場景，近眼顯示設(shè)備需要滿足高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）［51］。為了實(shí)現(xiàn)HDR，顯示器需要有高峰值的亮度（Lp>1 000 cd/m2）和較暗的狀態(tài)（Lp<0.01 cd/m2），因此對比度是一個(gè)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(shè)備內(nèi)部的雜散光，使得對比度達(dá)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(qiáng)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(gè)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(shè)備使不同視角的圖像進(jìn)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?xí)r，單眼所獲得的焦點(diǎn)距離與雙眼會聚過程所產(chǎn)生的距離不相同，從而導(dǎo)致感知上的混亂與視覺上的疲勞和不適應(yīng)［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(diǎn)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(kuò)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(gè)權(quán)衡，更大的視場將導(dǎo)致像素密度下降，導(dǎo)致紗窗效應(yīng)（Screen-door Effect）或者看到明顯像素點(diǎn)邊界，降低了沉浸式體驗(yàn)［58］。全息光學(xué)元件（Holographic Optical Elements，HOEs）等新型的光學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)元件可追蹤眼球并切換相應(yīng)的顯示區(qū)域，從而有效解決了紗窗效應(yīng)［59-66］。正常人眼視覺的分辨率能達(dá)到60 PPD，在這個(gè)分辨率下當(dāng)需要110°的視場時(shí)，其顯示器需 要 超 過6K×6K 的 像 素［67］。2022 年 福 州 大 學(xué)團(tuán)隊(duì)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(dá)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(gè)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(gè)觀察區(qū)域的顯示分辨率是不同的，可以通過兩個(gè)不同的面板相組合來實(shí)現(xiàn)，但是卻增大了近眼顯示設(shè)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(yīng)用于近眼顯示設(shè)備更有利于實(shí)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

3.2 近眼顯示的光學(xué)架構(gòu)

隨著智能手機(jī)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(shí)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(shí)（Mixed Reality，MR），或稱之為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）［71］，圖9 展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的圖譜關(guān)系，從完全的現(xiàn)實(shí)到純粹的虛擬［72］。

圖9 虛擬現(xiàn)實(shí)圖譜Fig.9 Reality-virtuality spectrum

與VR 顯示器不同的是，AR 顯示器由光學(xué)引擎與光學(xué)組合器組合而成，光學(xué)引擎作為顯示圖像的來源，而光學(xué)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(xué)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(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、中山大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)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(shè) 備 的 光 學(xué)組合器。

圖10 不同類型的AR 光學(xué)組合器Fig.10 Different types of AR optical combiners

在AR 顯示設(shè)備中，光學(xué)架構(gòu)一般可分為自由曲面型（Freeform）和光波導(dǎo)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(shí)，需要在FOV 和Eyebox 大小之間保持平衡。相反，光波導(dǎo)型的AR 設(shè)備形狀較小，可以通過出瞳孔擴(kuò)展（Exit Pupil Expansion，EPE）過程放大系統(tǒng)的視野范圍，對于光波導(dǎo)AR 顯示器通常使用立體顯示器或變焦/多平面顯示器來實(shí)現(xiàn)3D 顯示。光波導(dǎo)因其外觀更接近于眼鏡，相比于其他光學(xué)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(jī)構(gòu)的研究，并成為AR 顯示設(shè)備的主流光學(xué)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(dǎo)型AR 系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)內(nèi)經(jīng)過反射后，到達(dá)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(dāng)光在波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，波導(dǎo)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(dǎo)由多個(gè)部分反射面組成，通過多層部分反射面將波導(dǎo)內(nèi)部傳輸?shù)墓夥瓷淙肴搜郏恳粚拥牟糠址瓷涿嫘纬梢粋€(gè)出瞳可以實(shí)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(fù)雜，良品率較低。表面浮雕光柵波導(dǎo)利用SRGs 作為耦合元件，將光耦入或耦出光波導(dǎo)。而不同波長的光線易被其他波長對應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)所衍射，形成串?dāng)_?？赏ㄟ^設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)全彩化。波導(dǎo)中最關(guān)鍵的部分是耦入/耦出光學(xué)元件，體全息光柵波導(dǎo)中的HOEs 可在任意波前記錄和重建中表現(xiàn)出獨(dú)特的特性［82-83］，可作為光柵、擴(kuò)散器、透鏡被廣泛應(yīng)用于近眼顯示系統(tǒng)，并且成為AR 設(shè)備光波導(dǎo)耦合元件中的最佳候選者［84-88］。3 種近眼顯示平面光波導(dǎo)的光學(xué)架構(gòu)如圖12 所示，分別為幾何陣列光波導(dǎo)、表面浮雕光柵波導(dǎo)及體全息光柵波導(dǎo)。

圖12 （a）幾何陣列光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖；（b）表面浮雕光柵光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖；（c）體全息光柵光波導(dǎo)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.

3.3 近眼3D 顯示

人們對于逼真視覺體驗(yàn)的需求推動了當(dāng)前二維圖像從平面屏幕向三維場景的轉(zhuǎn)變。第一個(gè)3D 技術(shù)可追溯到1838 年，由Charles Wheat?stone 提出，這項(xiàng)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(gè)偏移圖像來實(shí)現(xiàn)的。之后在20 世紀(jì)初，通過利用視差屏障、集成攝影以及透鏡的方式實(shí)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(xiàng)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(biāo)志著光學(xué)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(xué)架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱┐髟O(shè)備［93-96］。

得 益 于VR 技 術(shù) 的 迅 速 發(fā) 展，Oculus、Hua?wei VR Glass、Pico 等 部 分VR 設(shè) 備 價(jià) 格 也 比 較低廉，但AR 設(shè)備的生產(chǎn)成本卻較高。目前大多數(shù)的AR/VR 設(shè)備都是通過立體視覺來實(shí)現(xiàn)3D顯示，這種方式存在VAC 的問題。自21 世紀(jì)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(gè)時(shí)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(gè)或多個(gè)平面形成近眼3D 顯示的光學(xué)系統(tǒng)。通過一個(gè)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(gè)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(yīng)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(fù)用通道。通過改變物體距離或系統(tǒng)的光功率來實(shí)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(shí)調(diào)節(jié)光學(xué)距離與系統(tǒng)光功率實(shí)現(xiàn)多焦平面顯示設(shè)計(jì)［104-105］。在信息復(fù)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(gè)空間維度將2D 顯示器擴(kuò)展到3D 顯示，這通常通過多路復(fù)用過程來實(shí)現(xiàn)［106］。用于疊加虛像平面的信息通道有4 種，包括空間、時(shí)間、偏振和波長。

空間復(fù)用允許直接構(gòu)建多焦平面的顯示器。在20 世紀(jì)末，Rolland 等人提出了一種通過將14 個(gè)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(shè)計(jì)在非球面顯示器件中難以實(shí)際應(yīng)用，但它指出了一般多焦顯示器件的設(shè)計(jì)原則，如焦平面數(shù)、焦平面間距和分辨率要求等。光學(xué)組合器疊加可以通過疊加分束器、棱鏡和光波導(dǎo)等光學(xué)組合器，而不是直接疊加顯示器或投影屏幕 來 實(shí) 現(xiàn)3D 顯 示。最 初 由Akeley 等 人［108］提 出并設(shè)計(jì)了具有3 個(gè)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(gè)子面板，形成3 個(gè)焦平面，也可通過疊加更多的自由曲面棱鏡來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用［109］。但這些模型的體積都較大，并不適合真實(shí)的應(yīng)用場景。

對二維圖像偏振復(fù)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(fù)用與偏振復(fù)用同時(shí)進(jìn)行的多焦平面顯示器，將兩個(gè)LCD 面板級聯(lián)，創(chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的深度［111］。如圖13（c）所示，通常偏振復(fù)用的多焦平面顯示由顯示面板、偏振器和一個(gè)偏振相關(guān)光學(xué)元件組成。

波長復(fù)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(gè)具有不同波長的激光投影機(jī)在屏幕上投射出兩幅圖像，并被濾波器分為兩個(gè)深度，形成3D 效果。雖然這個(gè)簡單的設(shè)計(jì)驗(yàn)證了通過波長多路復(fù)用提供多個(gè)焦平面的可行性，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多挑戰(zhàn)。如在每個(gè)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。

圖13 （a）透明顯示器疊加；（b）光學(xué)組合器的疊加中分束器的堆疊；（c）偏振復(fù)用多焦平面顯示；（d）波長復(fù)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）Polarizationmultiplexed multi-focal-plane display；（d）Wavelength-multiplexed multi-focal-plane display.

集成成像利用透鏡或針孔陣列等周期性光學(xué)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(gè)過程中，空間分辨率被用來提供角度信息的多視圖通道。可以通過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(shí)創(chuàng)建多視圖，其中高速顯示和視點(diǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)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(bào)道［117-119］。具有光學(xué)透明度的HOEs 可以實(shí)現(xiàn)透視功能，同時(shí)顯示3D圖像。

全息顯示被認(rèn)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(shí)現(xiàn)3D 顯示［120-123］。傳統(tǒng)的光學(xué)全息術(shù)利用光干涉將真實(shí)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(xué)全息相比，計(jì)算機(jī)生成全息具有靈活的波前控制和實(shí)時(shí)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(shí)際應(yīng)用方面仍有很長的路要走。當(dāng)前其主要的技術(shù)障礙包括激光散斑導(dǎo)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(jì)算全息方法（Computer-generated Holography，CGH）快速實(shí)時(shí)計(jì)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(yīng)［128-130］。此外，激光也可以被部分相干光源替代，如Micro-LED［131］。

4 Micro-LED 用于近眼顯示的優(yōu)勢

VR 系統(tǒng)中沒有環(huán)境光的干擾，所以僅需考慮對比度，而在AR 系統(tǒng)中，有外界的環(huán)境光干擾，因此需要考慮的是AR 系統(tǒng)的環(huán)境對比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）。ACR 的 定 義如下［132-133］：

其中，T是顯示透射率，Lon（Loff）表示在開（關(guān)）狀態(tài)下的顯示亮度（cd/m2），Lambient表示環(huán)境光明亮程度，通常是以照度（lx）為單位，但是為方便計(jì)算，這里將照度除以π 轉(zhuǎn)換為亮度單位［134］。通過式（1）可知，如果在較亮的環(huán)境中，比如室外環(huán)境下，要使人眼接收到清晰的圖像，對光學(xué)引擎的亮度要求比較高。即使對于對比度相對較高的顯示器（CR>100），在環(huán)境光較強(qiáng)的狀態(tài)下也容易導(dǎo)致內(nèi)容無法識別。一般要求可識別圖像的最小ACR 為5∶1［134］。要改善近眼顯示設(shè)備的ACR，最直接的方法就是提高顯示屏的亮度。

目前，近眼顯示中常用的光學(xué)引擎有硅基液晶（LCoS）、DLP、Micro-OLED 及Micro-LED。其中LCoS 顯示器通過反射進(jìn)行光控制，由于結(jié)構(gòu)相對簡單，使用半導(dǎo)體制造工藝來實(shí)現(xiàn)，分辨率密度可達(dá)4 000像素/英寸，亮度可達(dá)30 000 cd/m2，并且有產(chǎn)生全息圖像的潛力，近年來LCoS 技術(shù)已經(jīng)在眾多的AR、VR 設(shè)備中使用，如Google Glass、HoloLens 等［132］。但是由于LCoS 需要偏振分束器，使得其體積不能再進(jìn)一步降低，并且由于驅(qū)動的復(fù)雜性進(jìn)一步限制了其廣泛的應(yīng)用［135］。與LCoS 相似，德州儀器公司的DLP 也是一種反射式顯示，能達(dá)到LCoS 的亮度，DLP 技術(shù)基于DMD 數(shù)字微鏡結(jié)構(gòu)，通過精確控制每個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)成像［136］。相比之下DLP 體積比LCoS 小，但是也需要較大的反射光路。

在LCoS 被應(yīng)用于近眼顯示之后，Micro-OLED 微顯示器應(yīng)用于近眼顯示設(shè)備也受到了極大的關(guān)注［137］。Micro-OLED 結(jié)構(gòu)包括了硅基CMOS 背板、OLED 器件，陽極金屬、陰極和薄膜封裝、彩色濾光片和蓋玻片等［138］。近眼顯示設(shè)備要求有更高的分辨率實(shí)現(xiàn)逼真的圖像，因此這樣的實(shí)現(xiàn)方式比通過陰影掩模對蒸發(fā)的發(fā)射器進(jìn)行直接彩色圖案化更為有利［139］。Micro-OLED與LCoS/DLP 相比，有著較小的尺寸，并且亮度水平能達(dá)到103～104cd/m2，但是隨著亮度的提高，相對應(yīng)的是 其壽命的減少［140］。OLED 是由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）控制的直流電流驅(qū)動，因此TFT 的退化會也會降低亮度，縮 短Micro-OLED 的 壽 命［141］。由 于Micro-OLED 的有機(jī)發(fā)光材料的特性，快速老化、壽命短、色純度低等缺陷也逐漸暴露出來。因此，不論是LCD、LCoS、DLP、Micro-OLED 都有其固定的技術(shù)局限性。

相比于其他幾種顯示技術(shù)，Micro-LED 技術(shù)因在較低的功耗下能達(dá)到高的亮度、具有高對比度、響應(yīng)時(shí)間較短、色域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用于近眼顯示有著一定的優(yōu)勢。經(jīng)典的Micro-LED 結(jié)構(gòu)是由直接帶隙半導(dǎo)體材料制成的PN 結(jié)二極管，當(dāng)Micro-LED 處于正向偏置狀態(tài)時(shí)，來自半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子與價(jià)帶中的空穴重新結(jié)合，從而發(fā)出單色光的光子，通常Micro-LED 的最大半峰全寬線寬為20 nm，并能夠提供超過140% NTSC的高度色彩飽和度［142］。在最近的Micro-LED研 究 中，Micro-LED 尺 寸 為63.5 cm（25 in）、300 A/cm2時(shí)的亮度可以達(dá)到2.89×106cd/m2的峰值亮度，并且有真正的黑色狀態(tài)，分辨率可以達(dá) 到5 000 PPI［143］。Micro-LED 相 比 于 其 他 光 學(xué)引擎的參數(shù)對比如表1。

表1 近眼顯示設(shè)備中幾種光學(xué)引擎性能對比Table 1 Comparison of the performance of several optical engines in near-eye display devices

5 總結(jié)與展望

近眼顯示光機(jī)和光學(xué)組合器的尺寸對于使用體驗(yàn)不可忽視，就當(dāng)前的研究進(jìn)展來看，Micro-LED 與光波導(dǎo)所組合成的AR 顯示設(shè)備最接近眼鏡形態(tài)，舒適度較高。Micro-LED 高對比度、響應(yīng)時(shí)間較短、色域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)為未來近眼顯示提供了無限的可能，但是Micro-LED 的屏幕制備、全彩化等問題是目前面臨挑戰(zhàn)。人眼的視覺需求也為近眼顯示提供了定量的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也指出了當(dāng)前需要解決的主要問題，如FOV、分辨率、VAC、顯示亮度和效率等。近眼顯示中的AR 顯示也面臨諸多挑戰(zhàn)，所要解決的不僅是滿足人眼視覺性能，還有如何更高效率、小體積地提高顯示效果等問題。通過對比各類型微顯示器件的相關(guān)參數(shù)，Micro-LED 都有著一定的優(yōu)勢。此外，Micro-LED 不僅可以在柔性、可彎曲、可伸縮的基板上制備［134］，而且已被驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)透明顯示［145］，這有望結(jié)合多平面顯示應(yīng)用在近眼顯示中解決VAC 問題。鑒于未來近眼顯示需要復(fù)雜的硬件以及龐大的數(shù)據(jù)量以支持多維交互，Micro-LED 以其高密度、高亮度、高效率的特征，有望結(jié)合三維圖像采集、觸覺感知和輸入、光學(xué)技術(shù)、信號集成技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)一種具有真三維空間顯示的高度集成半導(dǎo)體顯示系統(tǒng)［146］。隨著顯示技術(shù)、Micro-LED 微顯示技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的近眼顯示設(shè)備必然會更加小巧和舒適，有望隨著“元宇宙”的概念在大眾消費(fèi)者中普及開來。