近期帶顯示屏的AI智能眼鏡以及輕量化AR眼鏡開(kāi)始快速興起，廣泛應(yīng)用于娛樂(lè)、觀影、翻譯、教育、培訓(xùn)、醫(yī)療保健等眾多領(lǐng)域。其中，近眼顯示屏攸關(guān)圖像質(zhì)量和用戶體驗(yàn)，占近眼顯示終端（本文統(tǒng)稱為XR終端）總成本的很大一部分，成為XR產(chǎn)品核心器件之一。目前主流廠商的近眼顯示屏的選擇主要包括LCoS、Micro OLED和Micro LED三種，LCoS因?yàn)楸彻庠?，無(wú)法做到全暗，而且功耗比較大，業(yè)界均認(rèn)為不會(huì)是未來(lái)主流的技術(shù)路徑，故本文只討論Micro OLED和Micro LED。

關(guān)于AI、AR、MR眼鏡中的入眼亮度及光學(xué)方案

1、背景介紹

一個(gè)40W日光燈亮度約為 5000 尼特，人眼對(duì)進(jìn)入眼睛的光線亮度（入眼亮度）非常敏感。通常人眼對(duì)于超出1800尼特入眼亮度的光源會(huì)產(chǎn)生疲勞感，超出3000尼特亮度入眼亮度的光源會(huì)產(chǎn)生不適感。對(duì)于AI+AR眼鏡、MR終端而言，在絕大部分環(huán)境下，入眼亮度的需求為60尼特到1200尼特。 

圖1：人眼針對(duì)電子產(chǎn)品在不同環(huán)境下的顯示亮度需求

如果沒(méi)有遮擋和損耗，光源的亮度就等于入眼亮度。光源和眼睛之間如果有遮擋，比方說(shuō)光學(xué)器件，入眼亮度等于光學(xué)器件的光效（假設(shè)沒(méi)有其他損耗）X光源亮度。人眼在昏暗的環(huán)境下，數(shù)十尼特入眼亮度就可以看清楚畫(huà)面；在室內(nèi)使用電腦和手機(jī)時(shí)，一般入眼亮度是350尼特左右；在戶外使用時(shí)，受環(huán)境光的影響，看清楚顯示屏畫(huà)面所需要的入眼亮度一般在1200尼特左右。

2、XR終端的入眼亮度 = 微顯示屏亮度X 光學(xué)器件光效

無(wú)論是Micro OLED屏還是Micro LED屏，其發(fā)出的光線都需要經(jīng)過(guò)光學(xué)器件的折射、反射、聚合、傳導(dǎo)才最終進(jìn)入人眼，這其中就涉及到光路的光效了。假如不考慮吸收等其他能量損失，XR眼鏡的入眼亮度 = 微顯示屏亮度X 光學(xué)器件光效。

3、XR終端中常見(jiàn)的光學(xué)方案及其光效

對(duì)于AI+XR終端產(chǎn)品而言，首先要考慮的就是顯示屏經(jīng)過(guò)光學(xué)器件之后的入眼亮度，其他關(guān)鍵要素包括總體重量、體積和成本。

目前主流MR、VR的光學(xué)方案是Pancake，光效在10%以上；AR一般選擇Birdbath光學(xué)方案，光效在15%以上；AI或者AI+AR眼鏡一般選擇陣列或者衍射光波導(dǎo)方案。SRG工藝的衍射光波導(dǎo)的光效目前約0.3%左右，少數(shù)頭部企業(yè)近期將這一指標(biāo)提升到了1.5%~2%。陣列光波導(dǎo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6%-10%的光效。業(yè)界一般認(rèn)為陣列光波導(dǎo)制造工藝復(fù)雜，量產(chǎn)成本相對(duì)比較高。衍射光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輕薄，非常適合輕量化、便攜性的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，但目前光效還很低。

Bird Bath及Pancake光學(xué)方案成本只有數(shù)十元左右的，光學(xué)器件的重量一般在每路可控制在8~13克左右，但是整體體積比較大。光波導(dǎo)光學(xué)器件的重量很輕，其中鏡片表層上微納米結(jié)構(gòu)的光柵薄膜，幾乎可以忽略其重量與體積，加上光機(jī)、耦合器也只有數(shù)克重，整體體積非常小。目前不同材料、工藝實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)方案還在快速發(fā)展中，現(xiàn)有陣列光波導(dǎo)片的售價(jià)在數(shù)百元，SRG工藝的衍射光波導(dǎo)片的售價(jià)超過(guò)上千元。

4、AI及XR終端中光學(xué)方案對(duì)近眼顯示屏的亮度需求

假設(shè)AI及XR終端在室內(nèi)使用的入眼亮度為300尼特，室外使用的入眼亮度為1200尼特：

對(duì)于采用Pancake方案的MR或者VR終端，近眼顯示屏的亮度要求為3000-8000尼特。

對(duì)于采用Birdbath方案的AR眼鏡，近眼顯示屏的亮度要求在1萬(wàn)尼特以上。

對(duì)于采用6%光效的陣列光波導(dǎo)方案的AI眼鏡，近眼顯示屏的亮度一般要求在2萬(wàn)尼特以上。

對(duì)于采用光效只有0.1%的衍射光波導(dǎo)方案的AI眼鏡，近眼顯示屏的亮度需要達(dá)到1百萬(wàn)尼特。很顯然，在這種情況下，只有Micro LED才能滿足亮度要求。但是，一旦衍射光波導(dǎo)的光效同樣達(dá)到6%，那么可選擇的光源范圍就會(huì)大多了。

圖2：Pancake、Birdbath和光波導(dǎo)的比較

Micro LED的深度解析

1、技術(shù)成熟度（Technology Readiness）

全彩Micro LED顯示方案主要包括：合光、三色垂直堆疊、量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換和單片直接外延。如果技術(shù)的成熟度按照1~9來(lái)劃分，分為實(shí)驗(yàn)室（1~3）、中試（4~6）和量產(chǎn)（7~9）三個(gè)階段，那么量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換和單片直接外延還在實(shí)驗(yàn)室階段。合光方案（通過(guò)光學(xué)棱鏡將 RGB 三色 Micro LED 合成全彩顯示）目前最成熟，處于6-7之間，但波長(zhǎng)的一致性、光路控制等難題仍未解決。投資界最看好的是RGB 三色垂直堆疊方案，面臨藍(lán)光泄露、生產(chǎn)良率、波長(zhǎng)一致性、工藝設(shè)備等多維度技術(shù)難題。還處在從實(shí)驗(yàn)室到中試的3-4階段。

2、產(chǎn)品性價(jià)比分析

Micro LED的規(guī)?；a(chǎn)的復(fù)雜工藝、設(shè)備投入巨大、良率低導(dǎo)致產(chǎn)品成本難以適用消費(fèi)電子的需求。依據(jù)不同工藝路徑和采用的材料，全彩Micro LED批量售價(jià)從2000元到數(shù)萬(wàn)元。目前三色合光的全彩0.13英寸、480P分辨率的Micro LED 屏，1K采購(gòu)量售價(jià)超過(guò)2000元（即使單綠色售價(jià)也超過(guò)500元）。

3、成熟商業(yè)化時(shí)間（Time to Market） 

盡管有一系列優(yōu)點(diǎn)，但要實(shí)現(xiàn)AI+AR領(lǐng)域高像素密度、高分辨率Micro LED消費(fèi)電子級(jí)別的規(guī)?；瘧?yīng)用（售價(jià)在200元以內(nèi)），需要突破襯底制備、芯片結(jié)構(gòu)、鍵合工藝與全彩顯示四大技術(shù)難點(diǎn)，重構(gòu)從材料、工藝、設(shè)備到器件結(jié)構(gòu)的整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)生態(tài)，這一過(guò)程有可能耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)7-10年。據(jù)了解，蘋(píng)果基于這一原因在2024年4月裁撤了整個(gè)Micro LED團(tuán)隊(duì)。

4、與光學(xué)器件的適配

Micro LED數(shù)十萬(wàn)、上百萬(wàn)尼特的亮度特性，在AI+AR產(chǎn)品中只適合適配光波導(dǎo)光學(xué)方案。

5、行業(yè)格局

目前推出全彩Micro LED產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；N(xiāo)售的公司只有上海顯耀顯示科技有限公司(JBD)等個(gè)別公司，發(fā)布產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)客戶送樣的有鐳昱等少數(shù)公司。

三星、京東方等巨頭并未推出任何針對(duì)AI+AR的Micro LED產(chǎn)品。事實(shí)上，在這一賽道，全球主要巨頭下注的技術(shù)路徑都是Micro OLED，它們選擇將Micro LED應(yīng)用到電視等容易實(shí)現(xiàn)并對(duì)價(jià)格沒(méi)有那么敏感的非消費(fèi)電子場(chǎng)景。

Micro OLED的深度解析

1、技術(shù)成熟度（Technology Readiness）

Micro OLED正快速?gòu)纳弦淮坠饧硬誓OLED間接發(fā)光工藝過(guò)渡到采用半導(dǎo)體光刻的新一代直接發(fā)光工藝。

WOLED（白光+彩膜）間接發(fā)光工藝，早已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和規(guī)?；N(xiāo)售，技術(shù)成熟度在8-9之間。WOLED是R、G、B垂直堆疊合成白光，然后再經(jīng)過(guò)彩膜折射出R、G、B。這一過(guò)程的光效損失大，限制了發(fā)光亮度。為提升亮度，需要采用Tandem架構(gòu)，即多層堆疊，大幅增加了工藝的層數(shù)，工藝層數(shù)的增加又必然導(dǎo)致良率下降，從而導(dǎo)致成本大幅上升。

半導(dǎo)體光刻工藝的Micro OLED(簡(jiǎn)稱光刻Micro OLED)在陽(yáng)極成膜之后，先直接在基板上整體沉積有機(jī)材料層R或G或B，通過(guò)光刻精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)圖案化蝕刻，去除不需要的部分。此后將該過(guò)程再重復(fù)兩次實(shí)現(xiàn)三原色的全彩圖形化，開(kāi)口率從WOLED的30%提升到大于70%以上。光刻Micro OLED工藝可實(shí)現(xiàn)像素密度超過(guò)10000 PPI, 亮度超過(guò)10000 尼特, 元件壽命達(dá)到傳統(tǒng)白光加彩膜的三倍以上。更重要的是，光刻Micro OLED工藝的工序比WOLED減少了50%，故良率大幅提升。在10000尼特亮度以上時(shí)，以0.5“的光刻Micro OLED屏為例，良率可達(dá)80%。

日本顯示在2022年5月發(fā)布了基于光刻工藝的Micro OLED產(chǎn)品，三星等多家公司跟進(jìn)。光刻Micro OLED的量產(chǎn)，從材料到設(shè)備全產(chǎn)業(yè)鏈工藝成熟，沒(méi)有任何瓶頸，其技術(shù)成熟度在7-8之間。

2、產(chǎn)品性價(jià)比分析

索尼WOLED全彩屏亮度普遍為5000尼特。據(jù)媒體報(bào)道，索尼只有用于MR場(chǎng)景、1.3英寸WOLED屏售價(jià)高達(dá)350美金，其他用于AR產(chǎn)品的0.23~0.68英寸的屏售價(jià)在數(shù)十美金左右，相比全彩Micro LED屏售價(jià)動(dòng)輒數(shù)百乃至數(shù)千美金更符合消費(fèi)電子產(chǎn)品的市場(chǎng)需求。

光刻O(píng)LED屏的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)：在提升亮度的同時(shí)，通過(guò)提升良率大幅度降低了成本。對(duì)于AR采用的0.5“和0.7”的2K光刻O(píng)LED屏，預(yù)計(jì)市場(chǎng)售價(jià)和相同尺寸的WOLED一致，但是，亮度提升數(shù)倍。對(duì)于MR所需的大于1英寸以上的屏，預(yù)計(jì)售價(jià)便宜50%以上。

AI眼鏡一般采用0.15“~0.23”之間的微顯示屏。0.15“720P、到0.22“ 1080P的光刻Micro OLED屏的成本約在5美金~10美金之間，亮度可達(dá)20000 甚至 25000尼特。以上尺寸全彩的光刻Micro OLED售價(jià)預(yù)計(jì)在30美金以內(nèi)，不到相同尺寸全彩Micro LED售價(jià)的10%。

3、成熟商業(yè)化時(shí)間（Time to Market）

根據(jù)媒體報(bào)道，三星的光刻Micro OLED預(yù)計(jì)在2026年上半年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，包括蘋(píng)果在內(nèi)的多家行業(yè)頭部廠商和三星達(dá)成合作，將在AI+AR及MR產(chǎn)品中采用光刻Micro OLED。國(guó)內(nèi)奧視技術(shù)有限公司正在建設(shè)光刻Micro OLED的產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2026年投產(chǎn)。三星、日本SEL 在2024年就發(fā)布了1.5萬(wàn)尼特、基于半導(dǎo)體光刻工藝的全彩Micro OLED屏，行業(yè)媒體報(bào)道6萬(wàn)尼特亮度的樣片已經(jīng)面世，單（綠）色Micro OLED可以實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)尼特以上的亮度。

4、與光學(xué)器件的適配

從應(yīng)用上看，Micro OLED可以適配Bird Bath、自由曲面、Pancake、陣列光波導(dǎo)、衍射光波導(dǎo)在內(nèi)的所有光學(xué)方案。針對(duì)現(xiàn)有衍射光波導(dǎo)的光效水平，Micro OLED的亮度還有待提高。

5、行業(yè)格局

采用白光加彩膜工藝生產(chǎn)第一代Micro OLED的公司包括日本索尼、合肥視涯和京東方等。

采用半導(dǎo)體光刻工藝生產(chǎn)第二代Micro OLED的公司包括日本JDI (稱之為eLeap)、三星（稱之為Real RGB）、廣州奧視（稱之為POLED）、維信諾（稱之為ViP）等。