OLED专家：1.3英寸显示器对VR意义

文/VR陀螺 PP

2021年,伴随着元宇宙概念的爆发,VR 移动端产品(Quest 2)在 C 端突破千万级,VR 再次回到聚光灯下,并迎来了产业的转折点,进入 Gartner 技术成熟度曲线的稳步爬升期。

从今年 Facebook  Connect(已更名 Meta)上,包括华为近日发布的 6DoF 游戏套装,也看到了下一代 VR 产品的迭代方向——6DoF 短焦 VR 眼镜。

Meta展示了将在明年发布的VR新品——Cambria,从产品来看,其采用了 Pancake 折叠光路方案,并且具备头部和手部 6DoF 追踪定位,能够实现全彩 See Through 透视功能。

VR产品形态走向轻薄化已是不可逆的趋势,而在轻薄化的实现过程中,离不开底层技术和上游供应链的支撑,其中VR屏幕的升级是VR头显缩小体积、减轻重量、降低功耗、提高体验的重中之重。

目前VR头显的核心显示方案基本采用 Fast-LCD,主要是由于其价格低廉,为了快速将 VR 产品推向消费市场,压缩成本几乎成了所有VR头显厂商的共同选择。但大家都心知肚明,Fast-LCD 是 VR 设备在现阶段的过渡方案,因为其在亮度、对比度、响应时间、功耗、体积等多方面都与硅基 OLED有较大差距。

11月18日,据韩媒ETnews报道,苹果也是宣布它正在开发一款包含“OLEDoS 显示屏”(OLED on Silicon、硅基OLED) 的 XR 设备,这也再次论证了硅基OLED的未来趋势。 而在这个赛道上,目前国内企业正在极力赶超,包括昀光公司在内,国内众多企业正在建立规模化硅基 OLED 产线。

图源:VR陀螺

VR头显专用,昀光1．3英寸硅基OLED  开始投入量产

今年 10 月,南京昀光的第一款 1．3 英寸硅基OLED显示器正式点亮,型号为 SRS5020, 这是其第一款面向VR市场的产品。作为一家在显示领域深耕了16年的厂商,新品在参数方面拥有不少亮点。

根据官方数据,SRS5020 硅基 OLED 显示器拥有 2K 分辨率(2048×2048px),90% 色域,亮度达到 3000 尼特,并且支持 120Hz 刷新率。据称现在已经具备量产能力,面向市场接受预定。

昀光科技创始人季渊博士(以下简称季博)表示, SRS5020 将主要用于 VR 头显产品。“VR 是元宇宙的入口,它带来的沉浸感是元宇宙最具性价比的实现方式。我们一开始的定位就是 用于VR的OLED微显示器,SRS5020 正是如此一款产品,我们的市场目标非常清晰。”

2021 年正值元宇宙概念爆发“元年”,VR/AR 行业复苏,专为 VR 头显设计的 SRS5020 的诞生似乎也赶上了最佳时机。

图源:昀光

值得一提的是,硅基显示器从建立生产线到点亮第一个样品是一个极其复杂的系统化工程,一般行业速度约为 24-30 个月,而昀光科技布局 SRS5020 则只花了 16 个月。

高效工作的背后,其实是其团队 16 年理论学术研究和实践结晶。2005-2009 年,季博在华为海思半导体进行智能手机应用处理器的研发,期间量产过数款 SOC 芯片,其中包括了麒麟芯片的前身 K3V1/K3V2。

离开华为后,季博加入了上海大学硅基 OLED 研发团队,开始研究硅基 OLED 微显示器,该团队是上海大学微电子研究与开发中心和国家教育部重点实验室合作基础上发展起来的专业化研究团队,最早在 2005 年就发现了在单晶硅上面能够制作OLED微显示器。

季博加入后的第二年(2011)就带领团队研发出了一款硅基 OLED 的工程样机,分辨率达到 1280*1024,亮度达到 10000cd/m2,而当时国外主流产品的分辨率为 800*600,亮度不足 5000cd/m2。

左:季渊总裁,中:潘仲光董事长,右:周善红副董事长(图源:昀光)

出于对新技术探索的热爱,以及迫切盼望国产底层技术崛起的初心, 2012 年,季博发表了中国第一篇基于硅基 OLED 显示器博士论文——《超还原硅基有机发光微显示器研究》,提出了超还原概念,采用数字驱动方案,将扫描效率从传统的80%提升到了97%以上,成为了中国最早一批硅基OLED显示器的探索者。

往后的时间里,季博又组织了研究生和博士生团队,在微显示器方面,于IEEE、SID、Organic Electronics 等行业知名期刊上陆续发表了 60 余篇学术论文。不仅如此,他们还申请了微显示器相关专利 50 余项,涵盖芯片设计、驱动算法、器件结构、制造工艺、系统集成、终端应用等方面。

随着硅基显示器产业化的推进,市场需求的增加, 2016 年季博带领团队成立第一家公司——上海昀光微电子,致力于 VR /AR 微显示驱动芯片研发。2019年,南京昀光科技有限公司成立,开始生产针对VR应用的硅基OLED微显示器。1．3 英寸的SRS5020 正是在这样的情况下诞生。

1．3 英寸硅基 OLED 显示器的  背后技术逻辑  

硅基 OLED 相比 Fast-LCD 的优势已在上文阐述,而为何是 1．3 英寸,或许很多人也会对此有疑问。 从硅基 OLED 的技术来看,这是一种特殊形态的显示器,它以单晶硅为衬底,集成 CMOS 驱动电路,顶层是像素图案导电层,最外一层为玻璃盖板,基本架构可参考下图。

硅基 OLED 微显示器的基本结构 来源:2012年-季渊《超还原硅基有机发光微显示器研究》博士论文

得益于半导体工艺与OLED显示技术的结合,该显示器自身物理尺寸很小,但却可以通过光学系统和透镜产生大屏幕显示效果,可应用于投影机和近眼显示产品。 与传统的 VR 头显屏幕相比,硅基OLED显示器的应用不仅能有效降低产品体积、功耗,还能进一步提高色域、对比度等显示参数。 

(一)1．3英寸—VR微显示器的最佳平衡点 目前 VR 头显主要采用菲涅尔透镜以及短焦方案,其中短焦实现方式包含两种,分别是折射式光学方案和 Pancake 折叠光路光学方案。三种方案虽然各有优劣,但短焦凭借其轻薄优势已被默认为 VR 光学发展下一阶段趋势。

VR各光学方案对比:

图源:VR陀螺 

而在短焦产品中,1．3英寸的硅基OLED显示器是现阶段各方平衡下的优选方案。对于其背后的原因,季博从两个角度进行了解释: 一方面,相较于市面上1寸左右或更小的微型显示器而言,1．3 英寸的硅基 OLED 显示器可以提供更大的视场角,让四周边框无感化,提升沉浸式体验。另一方面,基于物理尺寸和良率,现有半导体工艺的掩膜版Step Size(步进尺寸)最高只能在硅晶圆上达到 1．3 英寸左右大小,所以 1．3 英寸的硅基 OLED 显示器其实是一个平衡显示、成本与良率的最佳尺寸。

另一方面,相对于一般 LCD 显示方案,昀光 1．3 英寸的硅基 OLED 显示器亮度可达 3000 尼特,即使在经历 Pancake 光学光路多次反射损耗后,入眼亮度依然可以在 300 - 400 尼特左右,能够满足用户对于 VR 屏幕亮度的需求。

VR 高清画面显示带来的负面影响是高功耗,这是 VR 头显的通病。而基于半导体工艺制作的屏幕大大降低了超清画面显示带来的电池损耗,在这基础之上,昀光科技在显示与功耗两方面还进行了深耕自研,采用数字驱动技术方案,据称将其 1．3 英寸显示器相比同规格产品功耗大幅降低。

图源:昀光

(二)AMOLED数字驱动,精准色彩显示 OLED 的驱动方式可以分为 PM (被动)和 AM (主动)两种。其中,PM 驱动方式仅用于单色或分辨率较低的显示器,所以并不适用于追求高质量显示的 VR 产品,而 AM 则是更适用于 VR 产品的驱动方式,因为 AMOLED 显示器中的每个像素都配备了一个驱动电路,可以产生更高的显示分辨率和更高的灰度等级。 

季博表示,在 AMOLED 中,根据灰度等级的产成策略不同,驱动方式又可以分为模拟驱动和数字驱动。模拟驱动的显示器采用模拟信号量来表示像素的灰度信息,由于模拟信号非常容易混杂噪声,难以达到高精度的灰度值,所以并不能提供精细的色彩显示。 

对数字驱动而言,像素的灰度信息转变为与时间有关的频率信号,通过调制脉冲宽度来产生灰度,因此又称 PWM 驱动。由于数字信号稳定可靠、切换速度快,因此数字驱动的图像噪声低、画面质量稳定、 灰度等级高、色彩更丰富,所以数字驱动是更适合于具有快速光电响应速度的 硅基OLED。

“模拟驱动和电流电压呈正比,而数字驱动是和时间呈正比,单位时间内在低灰阶处理得非常好,相反模拟驱动的精度就很难控制。功耗方面,如果说同样面积大小的显示器采用模拟驱动的功耗为 3瓦,则数字驱动的功耗仅有 500～600 毫瓦,相差 5倍之多。对比度方面,模拟驱动如果为 2000:1,数字驱动则可达到 100000:1。”季博详细说道。

所以从结果上来看,数字驱动优于模拟驱动,这也是昀光致力于数字驱动设计的主要原因。

图源:企查查

VR 陀螺获悉,昀光科技申请的 50 余项发明专利中,就有关于数字驱动技术的专利  ,名为“一种显示器的数字驱动式像素电路”。它是一种微型显示器的像素电路,具有电路布局面积小,像素密度高等特点。此外,它提供的负电压驱动方式还提高了发光亮度、发光效率和对比度。

(三)采用分形扫描,降低功耗减轻发热 数字驱动相比模拟驱动优势明显,但相应的技术门槛也不低。为了实现数字驱动,不仅要做背板电路设计,还需要额外研发专用控制芯片,去控制像素点亮和权衡功耗,该款控制芯片需要使用 28nm 工艺乃至更先进制程进行设计生产。

昀光科技像素控制的核心算法是分形扫描,季博表示,该项研究最早在 2012 年发表的博士论文《超还原硅基有机发光微显示器研究》中提出,分行扫描主要讲述的是制作数字驱动的方法,当时还获得了上海市科技进步一等奖。

据了解,和传统像素从上到下、从左到右逐行逐列的扫描方式不同,分形扫描根据使用需求来进行像素点扫描,具有数学理论上的无限嵌套的层次结构,理论上可以达到 100% 效果,实际工程应用中,也可以达到97%以上,在提高显示效率的同时,进一步降低了功耗。

传统像素扫描 此外,目前国内外OLED微显示器存在的一大弊病在于发热,发热不仅会影响产品使用寿命,同时还会严重影响体验,厂商甚至需要额外加载散热装置,以保证产品正常工作。

季博表示,昀光所采用的数字驱动技术,配合分形扫描,致使显示屏在工作时,针对需求有的放矢,表面温度一般不超于 40 度,降低了不必要的电池消耗,不需要额外增加散热片。

昀光董事长潘仲光先生(原冠捷电子创始人)强调,我们是世界上第一家量产数字驱动的微显示屏幕公司。数字驱动只有传统模拟显示五分之一的功耗,不需要散热片,屏幕即使在高亮度情况下也不发烫,更高的亮度以及刷新率都是数字驱动独一无二的优势。周善红副董事长表示昀光的技术突破是我们中国人的骄傲。

图源:昀光

面向AR/VR下一代计算平台  国产替代号角已吹响

据悉,除了今年点亮的 SRS5020 以外,昀光明年还计划点亮并量产分辨率达到 2．5K 的下一代硅基OLED微显示器—— SRS5025。另外,目前团队还在扩大研发布局,正在设计可达 4K 分辨率的 SRS5040 和可支持人眼凝视点渲染的硅基 OLED 显示器。

近年来,伴随着数智化变革进程加快,中国智造企业崛起,国产替代已逐渐深入上游产业链,而作为下一代计算平台的 AR/VR 更是大家关注的核心重点。

工信部下发的《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》明确指出,我国发展虚拟现实产业的道路上,需要突破四项关键核心技术,包括近眼显示技术、感知交互技术、渲染处理技术与内容制作技术。

在季博看来,中国 VR/AR 产业的推进,需要上、中、下游共同配合,在上游供应链能够提供完备且高端技术能力的情况下,终端厂商对于其成功起决定性作用,只有终端厂商有了规模市场,这样才能反哺上游厂商,拉动企业深入创新,形成良性循环。

在国家政策大力推动以及产业链上下游的努力推动下,凭借国内强大的供应链优势,国产替代、国产赶超之势正在逐步显现。

潘仲光先生表示,随着 SRS5020 明年即将进入量产阶段,昀光有望成为世界上第一家低功耗数字驱动硅基OLED生产商。昀光的产学研用一体的方法论与多年的实践与技术积累,将成为其在中国智造全面升级变革的进程中强而有力的武器,为下一代计算平台的发展带来助力。