Micro-LED应用于近眼显示的现状与趋势

Micro-LED技术源于美国贝尔实验室微盘激光器技术^［4］，2000年Jin等^［2］人首次制备了Ⅲ族氮化物的Micro-LED；2004年Jeon等^［5］人则提出了20 μm、64×64阵列的紫外Micro-LED；2009年刘召军等^［6］人报道了使用倒扣焊集成技术制备了8×8的Micro-LED的有源驱动阵列，并且在2011年使用了三色荧光粉实现了Micro-LED的全彩化显示^［7］。在显示应用方面，索尼公司于2012年首次推出了139.7 cm（55 in）的Micro-LED显示屏；2015年Han等^［8］人报道了采用UV光激发量子点实现全彩化的Micro-LED；2020年Kim等人^［9］提出了一种有效的技术，通过传统的光刻技术，使用光固化丙烯酸和纳米有机变色材料的混合物，在蓝色Micro-LED上沉积颜色转换层。同年Liang等^［10］人综述了全彩化的Micro-LED研究进展，并且采用量子点色转换层制备了高色域的全彩化Micro-LED。2022年南方科技大学与香港科技大学及中国科学院苏州纳米所组成的团队制备了不同规格的深紫外Micro-LED器件，其中10 μm×10 μm的深紫外Micro-LED在连续波发光情况下，最高亮度达到了185 W/cm²，最高的外量子效率达到了3.43%^［11］。

通过Google学术的搜索分析，Micro-LED相关文章的搜索数量从2000年开始逐渐增长。从2006年开始，该领域更是呈指数级增长，2021年共计出版文章7 000多篇。目前，几乎所有科技企业都将Micro-LED技术视为下一代的显示技术。图1为近几年Micro-LED的关键性研究进展节点。虽然Micro-LED在显示方面有着显著的优势，但随着Micro-LED芯片尺寸的减小，Micro-LED的制备在外延生长、全彩化、巨量转移、检测技术等方面仍然存在着一些瓶颈。并且Micro-LED的良率问题、发光效率、波长一致性还没有达到全彩化显示的要求^［12］。

图1  Micro-LED发展历程图

Fig.1  Development history of Micro-LED

Micro-LED的制备工艺与传统的LED制备工艺有一定的相关性^［13-14］。Micro-LED的衬底可以是硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、蓝宝石衬底等，以基于蓝宝石衬底生长的GaN基顶发射的Micro-LED为例，图2（a）展示了一种制备单个Micro-LED的方法^［15-17］。首先，通过金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD）在蓝宝石衬底上进行了Micro-LED的外延生长。该外延结构包括非故意掺杂的GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱（Multiple Quantum Well，MQW）区和p-GaN层，之后通过电子束蒸发或磁控溅射在p-GaN层表面制备出铟锡氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）薄膜，ITO起着电流扩散层的作用，具有低电阻率和高透光率的特点。其次，通过电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀外延晶片，并对其进行热退火，形成p-GaN的p型欧姆接触。通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积SiO₂钝化层以分离p型电极和n型电极。最后，通过溅射在n-GaN层的表面上沉积Ti/Au层作为n-pad。与制备n型电极类似，Ti/Au沉积在ITO层上以形成p-pad。

图2  （a）单氮化镓基顶发射Micro-LED的工艺示意图；（b）无源寻址微型LED阵列示意图；（c）有源寻址Micro-LED阵列示意图。

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阵列可通过不同的制备方法获得，根据寻址方式可分为被动寻址和主动寻址。图2（b）给出了一个典型的无源寻址Micro-LED阵列的示意图。每个像素分别连接p型金属线和n型金属线，由扫描行电极和柱电极驱动^［18］。此外，简单的有源寻址Micro-LED阵列的原理图如图2（c）所示。每个Micro-LED都有一个公共的n触点和一个独立的p触点用于单独寻址^［19］。

舒适性和沉浸性是近眼显示设备的评价指标，舒适性可以从穿戴舒适度上体现，比如近眼显示器的重量、散热、尺寸等方面都能影响穿戴的舒适度。视觉舒适度也是评价近眼显示器舒适感的一部分，在大视场、高分辨率和自然的画面情况下能有效提高视觉的舒适度，近眼显示设备的沉浸性可使使用者身临其境。为了应对舒适性和沉浸性的挑战，需要对人类的视觉特性与局限性有深入的了解，围绕以人类视觉系统为核心的光学设计过程则显得尤为重要。

人眼是一个优秀的高动态感光系统，能实时处理5个数量级以上的照度，并且具有长时间适应能力，最多可以感受到10^-3~10⁴ lx的宽域照度^［50］。因此为了再现真实的场景，近眼显示设备需要满足高动态范围（High Dynamic Range，HDR）^［51］。为了实现HDR，显示器需要有高峰值的亮度（L_p>1 000 cd/m²）和较暗的状态（L_p<0.01 cd/m²），因此对比度是一个非常关键的参数^［52］。VR眼镜要求没有环境光的干扰，且抑制VR设备内部的杂散光，使得对比度达到1 000∶1以上。但是对于AR系统来说，要考虑环境光的影响，在室外环境光比较强的情况下，则需要AR系统能够提高更高的亮度。

3D显示技术利用了人眼存在的双目视差，由于两个瞳孔存在着距离，使得左右眼视网膜上所成的像稍有差异，经过大脑的处理，可以感受到立体的图像^［53-55］。3D显示技术可以通过控制显示设备使不同视角的图像进入两眼，获得深度信息。然而大多数的VR系统通过平板显示的方式生成图像信息，这将产生辐辏调节冲突（Vergence-Acommodation Conflict，VAC），如图7所示。VAC指人眼在观察3D显示屏时，单眼所获得的焦点距离与双眼会聚过程所产生的距离不相同，从而导致感知上的混乱与视觉上的疲劳和不适应^［56］。

图7  （a）辐辏调节冲突原理图；（b）正常情况下的会聚距离与焦点距离示意图。

Fig.7  （a） Vergence-acommodation conflict schematic； （b） Schematic diagram of vergence distance and accommodation under normal conditions.

如图8所示，人眼的单眼视场（Field of View，FOV）大约为水平160°和垂直130°，两眼相结合的水平视场角大约有200°，水平相重叠的区域大约有120°^［57］。对于AR系统来说，现有的AR显示器的视场大小尚不能满足人眼视觉系统的需求，换句话说小视场的近眼显示器对沉浸感的影响很大，其所面临的主要问题还是如何扩大视场。但是对于VR近眼显示器来说，目镜的f/#值决定了其孔径，而焦距的缩放则可以改变FOV。假定显示屏的总像素是固定的，则像素密度和视场之间将有一个权衡，更大的视场将导致像素密度下降，导致纱窗效应（Screen-door Effect）或者看到明显像素点边界，降低了沉浸式体验^［58］。全息光学元件（Holographic Optical Elements，HOEs）等新型的光学元件为该问题提供了可能的解决方案。例如，2018年Tan等人^［58］基于HOEs设计了一种高分辨率区域可移动的近眼显示器，其关键的Pancharatnam-Berry光学元件可追踪眼球并切换相应的显示区域，从而有效解决了纱窗效应^［59-66］。正常人眼视觉的分辨率能达到60 PPD，在这个分辨率下当需要110°的视场时，其显示器需要超过6K×6K的像素^［67］。2022年福州大学团队利用有序分子自组装技术结合转移印刷技术制备了像素密度高达25 400 PPI的超高分辨率的QLED，为近眼显示提供了高密度显示屏的解决方案^［68］。由于人眼的高分辨率仅存在于中央凹区域，脱离这个区域视力急剧下降^［69］。因此只有在中央的区域才需要高分辨率，这就提出了中央凹显示（Foveated Display）技术的概念^［70］。在中央凹显示技术中，整个观察区域的显示分辨率是不同的，可以通过两个不同的面板相组合来实现，但是却增大了近眼显示设备的大小，而Micro-LED显示技术有高的分辨率和小体积，并且寿命长的优势，应用于近眼显示设备更有利于实现这种技术。

图8  人眼的视场范围

Fig.8  Feld of view of the human eye

随着智能手机的发展，形成了AR和VR的热潮，并且得益于芯片的发展，近眼显示的功能也越加完善和丰富，将AR/VR相结合，既可以在真实的世界上叠加虚拟的信息，又可以完全地展示虚拟的画面，称为混合现实（Mixed Reality，MR），或称之为扩展现实（XR）^［71］，图9展现了虚拟现实的图谱关系，从完全的现实到纯粹的虚拟^［72］。

图9  虚拟现实图谱

Fig.9  Reality-virtuality spectrum

与VR显示器不同的是，AR显示器由光学引擎与光学组合器组合而成，光学引擎作为显示图像的来源，而光学组合器将显示的图像传送到人眼，并传输环境光。FOV、动眼框（Eyebox）、传输效率及MTF等参数主要取决于光学组合器，图像亮度、整体效率和形状大小等属性受到了整体结构的影响。北京航空航天大学、天津大学、上海交通大学、中山大学、北京理工大学、浙江大学等国内高校均开展了这方面的研究^［73-80］。图10所示为几种AR显示设备的光学组合器。

图10  不同类型的AR光学组合器

Fig.10  Different types of AR optical combiners

在AR显示设备中，光学架构一般可分为自由曲面型（Freeform）和光波导型（Waveguide）。自由曲面AR显示具有较好的光效率和均匀性，但通常体积较大，在保证观看效果时，需要在FOV和Eyebox大小之间保持平衡。相反，光波导型的AR设备形状较小，可以通过出瞳孔扩展（Exit Pupil Expansion，EPE）过程放大系统的视野范围，对于光波导AR显示器通常使用立体显示器或变焦/多平面显示器来实现3D显示。光波导因其外观更接近于眼镜，相比于其他光学组合器兼顾了灵活性与性能，近几年受到了大量科研院校与机构的研究，并成为AR显示设备的主流光学元件。2021年，Darkhanbaatar等人^［81］通过使用光聚合物微反射镜阵列取代表面浮雕光栅（Surface Relief Gratings，SRGs）与体全息光栅（Volume Holographic Gratings，VHGs）， 利用全息微镜阵列作为耦入元件，从显示的元素图像集重建三维图像，并保留了现有全息波导型AR系统的主要优点，该系统结构如图11所示。基于集成成像生成的元素图像由微显示器显示，元素图像经过全息微镜阵列重构3D图像，重构后的3D图像的非相干光束在波导内经过反射后，到达耦出元件，最后反射至人眼。

图11  3D透明AR显示系统原理图

Fig.11  3D see-through AR display system

当光在波导内传播时，波导的折射率决定全内反射（Total Internal Reflection，TIR）角，并且耦合元件会影响视场角与色彩均匀性。几何阵列波导由多个部分反射面组成，通过多层部分反射面将波导内部传输的光反射入人眼，每一层的部分反射面形成一个出瞳可以实现EPE，但几何阵列光波的TIR角限制了其FOV，且噪声问题难以改善，使得出光分布不均，并且制备工艺相对复杂，良品率较低。表面浮雕光栅波导利用SRGs作为耦合元件，将光耦入或耦出光波导。而不同波长的光线易被其他波长对应的光栅结构所衍射，形成串扰。可通过设计多层光栅结构来解决此问题，如微软Hololens 2使用了两层光栅结构实现全彩化。波导中最关键的部分是耦入/耦出光学元件，体全息光栅波导中的HOEs可在任意波前记录和重建中表现出独特的特性^［82-83］，可作为光栅、扩散器、透镜被广泛应用于近眼显示系统，并且成为AR设备光波导耦合元件中的最佳候选者^［84-88］。3种近眼显示平面光波导的光学架构如图12所示，分别为几何阵列光波导、表面浮雕光栅波导及体全息光栅波导。

图12  （a）几何阵列光波导结构图；（b）表面浮雕光栅光波导结构图；（c）体全息光栅光波导结构图。

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.

人们对于逼真视觉体验的需求推动了当前二维图像从平面屏幕向三维场景的转变。第一个3D技术可追溯到1838年，由Charles Wheatstone提出，这项技术被称为立体视觉。最初双目深度感知是通过两片反射镜向观察者的左眼和右眼反射两个偏移图像来实现的。之后在20世纪初，通过利用视差屏障、集成摄影以及透镜的方式实现了可容纳更多深度信息的3D显示方法^［89-91］。1948年，Dennis Gabor发现了全息显示技术的原理^［92］，这项技术最初被用于提高电子显微镜的分辨率。直到1960年，激光的发明标志着光学全息技术的开始。在过去的30年里，LCD、OLED、LCoS等平板显示器的发展，加速了3D技术的发展，并逐渐将光学架构转变为可穿戴设备^［93-96］。

得益于VR技术的迅速发展，Oculus、Huawei VR Glass、Pico等部分VR设备价格也比较低廉，但AR设备的生产成本却较高。目前大多数的AR/VR设备都是通过立体视觉来实现3D显示，这种方式存在VAC的问题。自21世纪初以来，人们提出了许多方法来解决这一关键问题，包括多焦/变焦显示、全息显示、集成成像（Integral Imaging）显示或麦克斯韦视图显示^［97-102］。多焦显示器以不同深度呈现多幅图像，以模拟原始3D场景。可变焦距显示器则在每个时间帧仅显示一幅图像，图像深度与观察者的聚集深度相匹配。

基于平面成像的近眼3D显示系统一般是指通过利用一个或多个平面形成近眼3D显示的光学系统。通过一个固定平面形成3D显示存在VAC的问题，而变焦显示器虽然一次只生成一个焦平面，但是聚焦深度随辐辏距离而变化，并可通过眼动仪检测到^［103］。多焦平面显示是AR应用中较为常用的显示技术，多焦平面解决方案可以分为两类：深度生成方法和信息复用通道。通过改变物体距离或系统的光功率来实现多焦平面，可以区分为基于距离的系统和基于功率的系统，并且可以通过同时调节光学距离与系统光功率实现多焦平面显示设计^{［104-105］}。在信息复用通道的方法中，通常需要高信息流率才能通过添加另一个空间维度将2D显示器扩展到3D显示，这通常通过多路复用过程来实现^［106］。用于叠加虚像平面的信息通道有4种，包括空间、时间、偏振和波长。

空间复用允许直接构建多焦平面的显示器。在20世纪末，Rolland等人提出了一种通过将14个平面间距离均匀的透明显示器叠加，形成一种多焦平面的显示，其原理如图13（a）所示 ^［107］。虽然这种设计在非球面显示器件中难以实际应用，但它指出了一般多焦显示器件的设计原则，如焦平面数、焦平面间距和分辨率要求等。光学组合器叠加可以通过叠加分束器、棱镜和光波导等光学组合器，而不是直接叠加显示器或投影屏幕来实现3D显示。最初由Akeley等人^［108］提出并设计了具有3个焦平面的多焦显示器模型。如图13（b）所示，利用堆叠的分束器将LCD面板分成3个子面板，形成3个焦平面，也可通过叠加更多的自由曲面棱镜来实现空间复用^［109］。但这些模型的体积都较大，并不适合真实的应用场景。

图13  （a）透明显示器叠加；（b）光学组合器的叠加中分束器的堆叠；（c）偏振复用多焦平面显示；（d）波长复用的多焦平面显示。

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.

对二维图像偏振复用的概念最早由Lee等人在2016年提出，通过对液晶面板像素级的偏振调制，为二维图像创造深度信息^［110］。2018年Zhu等人提出了空间复用与偏振复用同时进行的多焦平面显示器，将两个LCD面板级联，创建两个独立的深度^［111］。如图13（c）所示，通常偏振复用的多焦平面显示由显示面板、偏振器和一个偏振相关光学元件组成。

波长复用的多焦平面系统概念由Zhan等人提出^［112］。其原理如图13（d）所示，通过将两个具有不同波长的激光投影机在屏幕上投射出两幅图像，并被滤波器分为两个深度，形成3D效果。虽然这个简单的设计验证了通过波长多路复用提供多个焦平面的可行性，但在实际应用中仍然存在许多挑战。如在每个颜色通道中混合波长会直接影响色彩表现，并且滤波器的角度要求较高。

集成成像利用透镜或针孔阵列等周期性光学结构，将光的空间信息从二维元素图像转换为具有空间和角度信息的三维光场^{［113-114］}。在这个过程中，空间分辨率被用来提供角度信息的多视图通道。可以通过采用快速扫描镜或高帧率空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）来临时创建多视图，其中高速显示和视点转换设备是多视图结构的关键^{［115-116］}。近年来，大量基于HOEs的集成成像系统被报道^{［117-119］}。具有光学透明度的HOEs可以实现透视功能，同时显示3D图像。

全息显示被认为是一种真正的3D技术，其可以通过再现三维物体发出的光的振幅和相位信息实现3D显示^{［120-123］}。传统的光学全息术利用光干涉将真实物体的波前记录在胶片上，然后投射参考光束来再现三维虚拟物体。与光学全息相比，计算机生成全息具有灵活的波前控制和实时图像更新功能，因此在近眼显示中得到了广泛关注^［124］。

尽管全息技术被冠以终极3D显示的名号，但在商业AR/VR产品的实际应用方面仍有很长的路要走。当前其主要的技术障碍包括激光散斑导致的图像分辨率下降，SLM有限的空间带宽积（Space-bandwidth Product，SBP）造成的FOV和Eyebox大小之间的权衡，以及对计算全息方法（Computer-generated Holography，CGH）快速实时计算的高要求^{［125-127］}。目前可以通过高级衍射光等多种方法增大视场，并且已有有效的方法抑制散斑效应^{［128-130］}。此外，激光也可以被部分相干光源替代，如Micro-LED^［131］。