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发布日期:2023-12-24 12:08    点击次数:140

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增强实践技艺是元天地伏击的东谈主机交互平台,其中光学成像部件和微线路屏是成像质料的要道。目下有五种微线路技艺:硅基液晶、硅基 OLED、硅基 micro LED、DLP 线路以及激光扫描振镜等。本文将防备先容不同技艺微线路屏的组成结构、工艺经由、硅基驱动方式规范、发展近况以及靠近的挑战。在硅基驱动的部分,将从像素驱动的不同电路以及不同驱动电路的优污点动手,分析不同线路技艺硅基部分的遐想和筹划挑战。并对目下不同技艺所能达到的筹划进行了汇总相比。硅基背板的遐想柔和点和发展趋势也将取得酌量。在本文的终末对不同微线路芯片的应用场景和发展进行了酌量。

 一、引 言

增强实践意见最早出目下 1968 年,但受制于线路和光学技艺,一直未能普及。1990 年代,好意思国军方条件进步空军作战效用,才启动对线路屏的更新换代提议明确条件。一些公司启动了对基于硅基的液晶屏的研发。2012 年谷歌推出了基于硅基液晶(LCoS)和棱镜光机的毛糙式单目 AR 眼镜,使得更多的机构和消费者对 AR 眼镜产生了浓厚的深嗜。跟着增强实践的应用场景和需求越来越多,相应的对 AR 眼镜的条件也就越来越高。如需要永劫辰佩带的增强实践(AR)眼镜需要知足体积小分量轻况且待机时辰长的需求。而户内或者是工业场景应用中,则对分辨率、对比度和可视角有更严苛的条件。为了构建更好的 AR 系统,AR 眼镜中的不同模块,如处理器、光机和微线路屏也引起了柔和。如处理器从前期的径直用现成的通用处理器,到目下的针对 AR/VR 的专用处理器。光机从早期的棱镜光学到目下的光波导技艺,线路从 LCoS 鹤立鸡群(Google glass 1、Hololens 1, Magic leap 1 等)到目下的 LCoS、硅基有机发光二极管(OLED)(INMO AIR)、激光扫描振镜(LBS)(HOLOLENS2)和微型发光二极管(MICRO LED)(OPPO Air Glass)等多种微线路技艺都取得了应用和实施。也有厂商通过提高制造精密度,收受了高温多晶硅液晶线路(HTPS LCD)技艺来达到 AR眼镜的条件(EPSON)。

LCoS 脱胎于 LCD 技艺,借助教训的半导体工艺和液晶产线,发展飞快,有工艺教训老本较低等特色。尔后硅基 OLED 跟着工艺和制造渐渐教训,凭借其高对比度的上风备受爱重。然而硅基 OLED 的寿命、亮度都是瓶颈,使其在户外应用场景一直受限。其后 Micro LED 凭借其高亮度和更长的预期寿命被合计是更合适于 AR 的微线路技艺,然而由于制造工艺还未教训,良率很低,频频合计离量产还有一些时辰。另外,由于微软在 HOLOLENS 2 内部勇猛收受了 LBS 微线路技艺,使得这一技艺取得一些产家的爱重。

关于时下贱行的光学和线路技艺,Bernard Kress 在其著述第七章中针对不同微线路技艺的发光方式、发光效用和线路恶果进行了详备先容,其中也先容了商场上的主流家具所收受的技艺。Shin-Tson Wu 等东谈主在文件中对不同微线路器件的材料秉性和器件结构作念了防护汇报。文件对不同线路技艺的线路旨趣和所有这个词光学系统的搭配作念了先容。文件则是对不同技艺进行了分类和筹划对比。联系词,微线路技艺,从制造经由或者说遐想来看,又不错分为前谈的硅基部分和后谈的发光层部分。如LCoS可分为硅基背板和液晶盒子,OLED-on-Silicon 不错分为硅基背板和表层的有机发光层。本文将从硅基背板的角度对不同的微线路技艺进行先容。即从应用场景动身,针对不同应用对微线路的不同条件,从硅基背板遐想的角度对不同技艺进行分类发扬。这对 AR 眼镜的系统性遐想将提供灵验匡助。

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基于这一念念考,本文从第二部分到第五部分,分袂先容 LCoS 技艺、硅基 OLED 技艺、硅基 micro LED 技艺、DLP 和 LBS 技艺的器件结构、硅基电路遐想架构和发展趋势。在第六部分将对各样技艺进行对比分析。

 二、硅基液晶(LCoS)

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2 .1 LCoS 的器件结构

LCoS 一启动是以微型化的 LCD 为目的,然而跟着技艺的越过,还发展出了丰富的应用,如全息、光通信和光镊等。尽管如斯,LCoS 从结构上看,依然是动身点的硅基加液晶盒子方式。跟薄膜晶体管(TFT) LCD 的最大区别即是用单晶硅晶圆取代了 TFT ARRAY。LCoS芯片的剖面图如图 1,除了硅基背板,还包含由框胶、液晶以及 ITO 玻璃所组成的液晶盒子。

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其简要坐蓐经由如图 2。

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▲图1:LCoS 结构图

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▲图2:LCoS 坐蓐经由图

在线路应用中,不错凭据制造工艺分为带滤色片的空间彩色 LCoS 和不带滤色片的时序彩色 LCoS。带滤色片的 LCoS 不错径直使用白色光源,数据雷同传统 LCD,因此系统架构较为粗浅。但由于滤色片对光的损耗不错达到三分之二以上,因此系统光效亏蚀较大。而收受时序彩色的决策由于是通过抑止不同花样光源的时序来收尾混色,不需要滤色片,不错大幅度的进步光效。时序彩色决策的另一个上风是因为不需要三个不同花样的子像素来混色形成最终的像素,像素密度提高,相似分辨率的屏不错作念的更小。因而目下商场上的大部分LCoS 屏都是时序彩色决策,以知足 AR 眼镜微型化的需求。

LCoS 的成盒方式也与 LCD 一样有多种选择。如配向方式有摩擦配向、无机配向和光配向等。收受的液晶也有多种,有反映飞快的 TN 液晶,也有高对比度的 VA 液晶,以及比年来备受柔和的蓝相液晶。从线路的角度看,出于对高对比度的追求,相比常用的是无机配向和 VA 液晶的组合。在后谈工艺的扶持下,LCoS 也能达到较高的对比度,如南京芯视元针对 HMD 的 LCoS 对比度不错达到 1500:1,Sony 和 JVC 针对高端大屏投影的 LCoS 对比度分袂作念到了 4000:1 和 5500:1 。

2.2 LCoS 的硅基背板遐想

LCoS 硅基背板的遐想,按像素驱动方式分,不错分为模拟像素驱动和数字像素驱动,如图 3 所示。

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▲图3:LCOS 的模拟像素驱动电路和数字像素驱动电路

不错看出模拟像素驱动相比雷同传统 TFT 驱动方式,先通过 DAC 将数字视频信号革新为模拟灰阶电压,尔后传输到液晶层通过抑止液晶的不同翻转进程来抑止光的反射。而数字像素驱动则通过将原视频信号分为不同的数字子帧,摆布脉冲宽度调制来抑止液晶的灰阶线路 。在一个时辰周期内,液晶上的等效的灰阶电压为 :

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关于时序彩色 LCoS,收受红绿蓝三色光源分时映照到屏幕上。如果是数据通过单个晶体管和电容径直写入,那么光源只可在数据王人备写入以后映照,灵验线路时辰短,亮度低。因此为了提高光效,一般收受一个缓存帧来预存数据,线路上一帧图像的同期写入下一帧的图像数据,增多光源映照时辰和亮度。由于时序彩色的数据流与常见视频源的数据流不太一样,是以一般需要一个驱动 IC 来对数据进行处理。为了进一步减小智能眼镜的体积,也不错收受更小的工艺节点将驱动 IC 部分集成到线路屏里。这么能更好的知足可衣服的条件,仅仅老本将大幅飞腾。

关于一些特别的高分辨率的应用场景,需要 4K 致使 8K 的分辨率。此时如果依然按原先的方式径直重叠更多的像素,屏的面积会大幅增大,走线长度大幅增多,信号质料和数据带宽将成为挑战。因此也出现了通过抖动来提高视觉分辨率的作念法。即屏幕的物理分辨率并莫得达到条件的数值,然而通逾期序上的抖动,不同子帧的时辰重叠效应形成一个视觉上的高分辨率屏,也不错通过两个屏幕的光学错位来收尾。然而由于抖动算法会增多功耗,在可衣服的应用中并不一定合适。

总体来说,LCoS 的发展,主若是凭据应用需求持续演进。早期受限于工艺和应用,一般是低分辨率大像素的屏(720P 以下)。跟着 AR 光学的发展,启动对中等分辨率(720P 和1080P)高光效低功耗的屏产生需求。激光电视的实施使得高分辨率高对比度高可靠性成为酌量的焦点(4K 和 8K)。而 AR 商场的普及又使得极小尺寸低功耗的线路屏成为一大趋势。在小尺寸方面,有减小分辨率和减小像素尺寸两种方式。目下有报谈的 LCoS 最小像素尺寸是 3.015μm, 来自 Compound Photonics 公司。从遐想角度,几种家具收受的系统架构和遐想柔和点都会有区别。

三、硅基 OLED

3 .1 硅基 OLED 的器件结构

硅基OLED从结构上也不错分为两种,一种是收受白光发光层加滤色片的结构,如SONY、京东方 和弗兰霍夫酌量所等,其基本结构如图 4;一种是径直作念 3 种不同发光材料的结构。收受第一种结构主若是为了侧目蓝光 OLED 材料的寿命问题。无论哪一种结构,硅基 OLED 的亮度问题亦然一直被诟病的污点之一。文件的酌量发现,相似的 OLED 器件结构下,不错通过抑止的调高使命电压并镌汰占空比的方式提高线路亮度并延迟器件的使用寿命。另外,也有好多基于堆叠发光层提高 OLED 亮度的酌量。有酌量合计,三层堆叠、双层堆叠的 OLED 和单层 OLED 的电流出光比约莫为 3:2:1。

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▲图4:OLED 器件结构

硅基 OLED 的后谈工艺亦然从硅基晶圆启动,如图 5,先进行发光层的蒸镀,尔后进行密封处理和玻璃盖板贴合,终末切割和封装成单独的芯片。为了进一步提高发光效用和亮度,SONY 于 2019 年还提议了使用微透镜增多出光率的工艺。

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▲图5:硅基 OLED 工艺经由图

3.2 硅基OLED的背板遐想

OLED 材料是电流驱动器件,像素驱动也不错分为模拟像素驱动和数字像素驱动,如图6。关于硅基 OLED 背板来说,模拟像素驱动指的是线路信号通过 DAC 革新为模拟电压之后,通过驱动像素的 MOS 管再革新为 OLED 器件所需要的电流。这种规范需要的 MOS 管少,然而因为屏幕亮度基本和像素电流成正比,而像素和像素之间的驱动 MOS 管的开启电压 Vth 在制造过程中会形成偏差,使得屏幕出现亮度均匀性问题。大屏频频会另外使用算法 IC 来抵偿这一亮度不均匀,联系词关于微线路来说,由于像素和像素之间的亮度各别是由电流各别形成的,况且这种电流各别十分眇小(nA 级别),难以片外抵偿,是以频频收受像素内抵偿的方式来改善屏幕的亮度均匀性。此外,由于低灰阶情况的像素电流都在 nA 级别,随环境和工艺变化彰着,灰阶精度很难保证,是以也有收受 10bit 的 DAC 来完成 8bit 灰阶的遐想。硅基 OLED 的数字驱动也不错收受 PWM 的方式,然而此时的脉冲宽度凭据需要的线路亮度来诡计。文件都收受了这种方式。PWM 驱动方式在灰阶调遣和对比度上领悟更好,然而需要的数据带宽要更高。

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▲图6:硅基 OLED 的模拟驱动和数字驱动

硅基 OLED 的背板发展趋势还有一个特色,即是有超高分辨率高帧率大尺寸屏和低分辨率低帧率低功耗两个迥然相异的发展标的。高分辨率大尺寸屏主要针对一些对线路条件高的 AR 以及最近流行的 PANCAKE 光学架构的 VR。而低分辨率低功耗主要应用在萧疏需要电板续航时辰长的场景。Philipp Wartenberg 致使在 2022 年的 Displayweek 上提议了点亮功耗只好 1mW 的双色 OLED 屏。

四、硅基 MICRO LED

4 .1 硅基 MICRO LED 的器件结构

由于 MICRO LED 在发光效用、寿命和使命温度上都有上风,一直备受柔和。与 LCoS 和硅基 OLED 不一样的是,目下 MICRO LED 的制造工艺尚未教训或者说有相比长入的趋势。天然 MICRO LED 的界说目下还莫得长入的意见,有合计像素间距在 100um 以下就算 micro LED的,也有合计像素间距在 50um 以下才不错算。由于本文专注于应用于 AR/VR 的微线路芯片,将不包含像素大于 50um 的 MICRO LED 线路。从 MICRO LED 发光结构上看,有横向结构也有垂直结构。横向结构指 LED 的阳级和阴极训诲触点是横向摆放的,即使不在消灭高度,却需要破钞横向的面积。而垂直结构是指所有这个词发光结构在垂直标的形成,阳极或阴极的其中一极是人人电极,一极训诲像素,从发光面来看,不破钞特别面积。可知,新2会员官网关于对PPI 条件较高的 AR 应用来说(>1000ppi),垂直结构是一个更合理的选择。从全彩线路的角度看,有几种不同的决策,不错键合三种不同花样 LED,也不错加量子点或量子阱对蓝色或是 UV LED 进行色革新,也有三片不同花样的 LED 芯片垂直堆叠合成彩色的工艺。Micro LED 的器件结构面对的另一个挑战是跟着单颗 LED 面积的减小,发光效用也大幅度下落。

从制造工艺上看,有倒装焊工艺也有晶圆级的制程。从硅基 MICRO LED 的角度看,倒装焊工艺主若是通过金属键合或是其它微结构将 LED 芯片和 CMOS 硅基芯片在像素级别逐一双应的训诲起来。而晶圆级的制程则更多的借助于半导体制造工艺。一个常见的基于色革新的倒装焊工艺经由如下:动身点分袂制作 CMOS 驱动晶圆和 LED 晶圆,通过倒装焊键合两种不同的晶圆后剥离 LED 衬底,在 LED 上制作色革新层,尔后进行封装。而晶圆级工艺又分为几种,有将外延片转化到硅基晶圆后再刻蚀单个的 LED 像素的方式,也有在LED 晶圆基础上进行 TFT 制作的方式,也有先将 LED 晶圆切割并转化到硅晶圆基底尔后进行晶圆级键合的方式。

4.2 硅基 MICRO LED 的背板遐想

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Micro LED 像素亦然电流驱动,驱动方式也不错分为模拟驱动和数字驱动,如图7。联系词和 OLED 不一样的是,关于现存的 MICRO LED 工艺来说,模拟驱动方式除了有 Vth 变化形成的亮度不均问题之外,还靠近发光效用随电流值更正的问题以及电流变化引起的发光波长蓝移问题,是以数字驱动的方式频频选择 LED 芯片 EQE 较高的电流区间进行 PWM 抑止而形成灰阶,而亮度不均匀和工艺偏差不错通过算法不停。

然而关于面向 MICRO LED 的硅基背板来说,有一个遐想矛盾。关于 micro LED 像素,发光效用最大的电流密度在 10-1000 A/cm2之间。而单个微线路芯片频频表出头积也就在1cm2以内。关于普通 CMOS 工艺来说,如斯大的电流密度很难收尾。尤其如果酌量金属走线的寄生电阻,关于高像素密度的屏,大电流将引起过大的压降(屏的尺寸一般在0.5-1cm2,按低的 10 A/cm2 诡计,0.1 欧姆的寄生电阻将引起 1V 的特别压降,而大部分供电电压在 5V 或以下),反过来影响屏的亮度。是以咱们会看到一个意旨的风物,分辨率高且像素小的微线路芯片,频频功耗反而低,分辨率低且像素大的屏,功耗可能反而大。表1 是咱们对一些文件中的 CMOS 芯片部分的参数作念了一个汇总。LCOS 和 OLED on Silicon 的像素间距和像素大小隔离不大,是以一般只给一个间距。而在 MICRO LED 的情况,酌量制造工艺和走线,两者差距有可能较大,因此在表中尽量作念了标注。

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▲图7:硅基 uLED 的模拟驱动和数字驱动

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关于 AR 的应用场景,屏算作可衣服终局上的芯片,对功耗是但愿越低越好。动辄上瓦的功耗并不适用。因此,可能需要在发光亮度、效用和功耗之间作念一个均衡。

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▲表1:micro LED 联系文件中的硅基部分的参数

五、DLP和激光扫描MEMS微镜技艺

DLP(Digital light processing, 也称为 Digital Micro-mirror Device, DMD)技艺和 LBS 技艺旨趣上都属于 MEMS 技艺,然而二者的使命旨趣王人备不同。

DLP 芯片当中,CMOS 驱动部分和微镜是在一颗芯片上,其使命旨趣尽头雷同数字驱动的时序彩色 LCOS,屏是在 CMOS 工艺之后,经过 CMP 制程,接着制造了用于反射的浩荡像素级眇小镜面,每个像素底下都是一个 6T SRAM 单位,用高下电平来抑止光的开启和关断。其防护结构和制造工艺经由可参考文件。这一技艺由于专利和坐蓐原因,一直只好 TI 一家供应商。

激光扫描微镜技艺在微线路技艺中是相比特别的一类。图像是通过微镜将被调制的激光有序的辐射到某个投影名义不同的位置,让东谈主在视觉上嗅觉到一幅图像 。也因为线路画面不是由物理像素组成的,微镜技艺也被奉求厚望能不受制造的物理极限而收尾更高的像素密度。这一技艺在频频微线路的线路区用一个毫米级别的微镜取代了其它技艺的像素线路部分(浩荡的微米级别的单个像素),屏上频频包含了微镜、制动器和感应器,微镜的驱动信号由另外的搀和工艺制造的芯片提供。天然基于 MEMS 微镜的微线路技艺在之前就有提议,然而由于微镜的制造属于特别工艺,很少受到柔和,一直到微软在 HOLOLENS 2 中勇猛收受了 LBS 技艺才发生了更正。微镜的制造工艺不错参考。

微镜的抑止可分为静电抑止(eletrostatic)、电磁抑止(eletromagnetic)和压电抑止(piezoelectric)。这里微镜凭据扫描方式又不错分为两种,使用光栅扫描加线性扫描两个微镜的决策,以及使用单个微镜的决策。无论哪种决策,微镜都是收尾反射光的作用。而微镜的抑止部分,主要通过算法抑止微镜的偏转角度,逐点成像。在算法上又分为光栅扫描算法和双振算法。光栅扫描算法即是传统的快速翻转光栅微镜形成图像的行,再通过线性微镜以稍慢的速率完成不同业图像的扫描。而双振算端正是通过单个微镜在两个轴上都快速翻转,并屡次写入形成圆善图像。两种算法都有丢失像素点的污点,是以基于 LBS 技艺的眼镜的视觉分辨率都会比标称的分辨率要小。优点在于微镜对高下温耐受强,且亮度高。

六、结 论

通过以上几个部分的先容,咱们不错看出,每一种微线路技艺都有我方的优污点,也各有需要面对的挑战。比如 LCOS 屏的制造工艺教训,亮度高,对比度中等,硅基背板遐想活泼,功耗中等,然而由于是反射式的而非自愿光的屏幕,在 AR 应用中会比 OLED 屏和 MICROLED 屏的决策需要多一个投影光机,增大了系统的体积、功耗和复杂度。关于不是越过防范体积的如 HMD 等应用场景,LCOS 是一个尽头合适的选择。硅基 OLED 屏对比度高,制形教训度中等,亮度较低,硅基背板有针对不同场景的功耗优化决策,在一些对亮度条件不高的室内场景,以及一些对光路进行处理的决策上会相比有上风。Micro LED 屏的亮度高,预期寿命长,永远眺尽头合适 AR 和 VR 的应用,然而目下制造工艺还不是很教训,材料、良率和功耗等方面都有挑战。在 AR 应用上,目下主要在一些主要作念信息领导的不需要高分辨率的场景应用,量产才智有待评释。至于 LBS 决策,主要上风在于有圆善决策,使命温度相对正常,对一些恶劣环境的应用有上风,污点在于激光容易色偏,需要温控,系统功耗和实质分辨率都莫得上风,且供应链薄弱。

如今,大陆方面对微线路的酌量也方兴未艾。之前由于产业链的不完善,硅基微线路的发展一直相比从容。2001 年南开大学团队就发布了分辨率为 640*480 的模拟驱动 LCoS 芯片。中科院团队于 2009 年发布了分辨率为 320*240 的模拟驱动 LCoS 芯片。电科 55 所于2019 年发布了分辨率为 1400*1050 的单色硅基 OLED 芯片,并于 2022 年对 MICRO LED 的发光材料和后谈工艺作念了综述酌量。上海大学团队 2021 年发表了对硅基 OLED 屏的寿命酌量。福州大学团队于 2020 年对 MICRO LED 微线路技艺从驱动到转化技艺,以及酌量发展景色作念了综述酌量。笔者团队于 2020 年 6 月发布了分辨率为 1920*1080 的模拟像素驱动 LCoS 芯片,2020 年 11 月发布了基于数字像素驱动的 FHD LCoS 芯片,2021 年发布了分辨率为 480*270 的单色 MICRO LED 芯片,2022 年聚首南边科技大学团队共同发布了 FHD单色 QLED 芯片。不错看出,2020 年后,大陆微线路产业过问了高速发缓期。

表 2 对不同硅基微线路技艺的伏击参数进行了一个相比。何如减小像素特征尺寸关于多样微线路技艺来说都蛮横常有挑战性的一个课题。这里选择了在大约收尾全彩线路前提下的最小像素尺寸。关于空间彩色(如 OLED 和 MICRO LED 技艺),一个圆善线路像素频频需要由 3 到 4 个子像素组成,因此其子像素的尺寸可能小于表 2 所标注的尺寸。而关于 LCoS技艺和 DLP 技艺,由于单像素就能收尾彩色,线路像素和物理像素不错逐一双应。在最大分辨率这个筹划上,将不酌量通过算法进步的线路分辨率,也不酌量功耗,只酌量大约制造出来的实质物理像素数目。如 8K 的 LCoS 屏,由于价钱崇高,目下主要用于大型投影仪。又如关于 DLP 技艺,不错通过抖动算法,用 1920*1080 的屏收尾 3840*2160 的分辨率,大于屏的物理像素分辨率。针对 micro LED 技艺,有单色分辨率不错达到 1080P 的家具,这里选择的是目下有报谈的最大全彩分辨率 960*540。关于 LBS 技艺,表面上,通过实足快的扫描算法,不错收尾任何大小的分辨率。联系词微镜扫描速率受半导体器件使命速率和微镜翻转速率的抑止,目下主要的决策主要如故 720P 和 1080P。教训度的判断依据主要为坐蓐制造工艺是否教训以及家具是否照旧取得粗鄙的使用。LCoS 和 DLP 分袂在 AR 眼镜和投影领域应用多年,尽管仍在矫正,都算是很教训的技艺。硅基 OLED 也在 EVF 和 VR 领域取得了应用,然而无论是材料如故工艺,都在改善当中。LBS 由于不错模仿之前的 MEMS 工艺,相对来说制造工艺还相比教训,主若是针对 AR 应用的矫正。而 MICRO LED 技艺无论是材料、制造工艺,如故跟硅基背板的互助,都还百家争论的阶段,况且莫得多数应用的家具,因此合计教训度较低。功耗数据主要来自实测、联系家具手册和综述文件。硅基 OLED 和 microLED 的最小功耗分袂来自文件和文件。对比度数据主要参考实测数据和文件。

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▲表2:不同微线路技艺的参数对比

说七说八,不错合计,在 AR 领域,LCoS 是一个相比教训可用的微线路技艺,其次是硅基 OLED,micro LED 技艺有望其后居上。但在一些特别的成像领域,如全息成像,LCoS 依旧是最好选择。无论哪一种微线路技艺,屏侧与硅基背板部分的互助都是很伏击的。改日不错通过查验优化,对不同的屏选择更合适的驱动决策和架构,收尾更优异的性能。举例通过升级使用的半导体工艺节点将驱动电路和屏侧集成到一颗芯片上以减小功耗,或通过 CPU 侧预处理视频信号,针对性的优化屏侧的功率,都不错让目下的微线路技艺愈加合适可衣服拓荒的需求。

The End

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起头:《激光与光电子学进展》皇冠百家乐

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