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小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!

MicroLED.cn MicroLED 2021-09-14 12:28:52 13626 0 | 文章出自:微显示 MicroLED

9 月 14 日消息 今天小米推出了一款概念新品 —— 小米智能眼镜探索版,其外观与普通眼镜几无区别,却有着神奇的体验。

小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!  第1张

小米称,“戴上它,画面跃然眼前。”据介绍,小米智能眼镜探索版采用 MicroLED 光波导技术,将芝麻大小的 MicroLED 微型显示屏隐藏于镜架之中,通过先进的光波导镜片,让光线实现空间转移,画面跃然眼前,让智能眼镜真正实现微型化,整机 51g 重,支持通话、显示、导航、拍照、翻译。

小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!  第2张

据官方介绍,小米智能眼镜探索版,为了做到和普通眼镜相似的外观,给显示和堆叠带来了空前挑战。为此选择了面向未来的 MicroLED 显示技术,大幅度减少结构体积,显示屏如芝麻大小,完美隐藏在镜架之中。

而为了让光线在经过复杂光学结构终于抵达人眼时,仍然保持足够的亮度、这块显示屏选用发光效率更高的纯绿色显示方案,并且工作时的亮度可达 200 万尼特。虽与 OLED 同为自发光,但采用无机材料寿命更高。

小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!  第3张

光波导(Optical Waveguide)技术,是一种让光线扭转 180 度的黑科技。让隐藏在眼镜框架中的 MicroLED 屏幕图像,通过光波导镜片的微观光栅结构无数次反射和扩散,精准传递到人眼。

小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!  第4张

蚀刻在镜片内表面的光栅结构可以让光线以一种特殊的方式在镜片中全反射,将光线导向人眼。在反射过程中还同步伴随着无数次光线扩散,这就使得人眼可以从整个光栅区域看到图像,极大地扩展佩戴宽容度。

这一切都在一片镜片的内部完成,而不再像现有产品一样使用复杂的多片透镜、反射镜或半反半透镜。光波导技术在明显减少设备体积和重量的同时,也是唯一一个可以让智能眼镜接近传统眼镜形态的技术。

小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!  第5张

小米智能眼镜集成了 497 颗微型传感器和通讯模块,所以它不仅仅是手机的「第二块屏幕」,而是具有独立操作的全新智能终端。除了基本的通知显示、通话等,也可独立完成导航、拍照、提词器、图像和自研语音实时翻译等功能。

由于眼镜的特殊性,小米也制定了关键的交互逻辑,平时尽量避免打扰,在关键时刻及时显示重要信息。

小米发布首款MicroLED AR智能眼镜!  第6张

「通话」是智能眼镜最自然的使用场景,在来电时直接看到对方号码,利用内置的双波束成形麦克风和扬声器,让通话双方都可以清晰地听到对方。

「导航」在驾车和骑行场景中非常实用,小米智能眼镜将道路和地图实时呈现在面前,这样就不必让目光离开路面,安全又方便。

利用眼镜前方的摄像头,还可以实现快速「拍照」和「拍图翻译」的功能,利用内置麦克风和小米 AI 实验室机器翻译团队自研算法,也可以实现「实时语音翻译」的功能,将对方说的话实时转为文字并进行翻译,出门旅游时非常方便。指示灯会在摄像头工作时亮起,提醒被摄人保护隐私。

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为了实现这些功能,眼镜中需要集成四核心 ARM 处理器、电池、触摸板、Wi-Fi/蓝牙模组等,运行 Android 操作系统。在集成这些功能的同时,整机重量只有 51g。

据悉,这是一款概念产品,小米还未公布其量产版的信息。更多MiniLED资讯,尽在MiniLED网  www.miniled.cn 


当MicroLED 遇到AR,知识分享

AR上游,光波导+MicroLED是未来

AR的光学元件和VR有很大不同。AR需要See Through,与真实环境发生交互。所以AR的显示是不能直接放在眼前,需要放到眼睛旁边,这时需要一组光学元件将屏幕的像耦合到眼前。

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▲VR与AR光学简易示意图

AR光学元件正在由自由曲面/Birdbath等向光波导演进。自由曲面等传统光学元件由于体积过大,使用它们制作出来的产品笨重,所以主流AR厂商都在选择使用光波导方案,可以让眼睛尺寸大幅缩减。但光波导的光学损耗很大,效率只有20%左右,需要光机进行配合。

光波导大致分为两类,一类是几何光波导,另一类是衍射光波导。其中几何光波导分为锯齿光波导和阵列光波导,主要代表光学公司是以色列的Lumus,市场上还未出现大规模的量产眼镜产品。

衍射光波导分为全息光波导和表面浮雕光栅波导。HoloLens 2,Magic Leap One均使用表面浮雕光栅波导,苹果公司收购的Akonia公司采用的是全息体光栅。

几何阵列光波导的概念最先由以色列公司Lumus提出并一直致力于优化迭代,至今差不多二十年。几何光波导主要由一系列半透半反镜面组成,其中镜面是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面,每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼。

几何光波导运用传统几何光学设计理念,不牵扯到任何微纳米级结构。因此图像质量包括颜色和对比度可以达到很高的水准。

阵列光波导的加工流程主要是研磨、抛光、镀膜和胶合四部分。何阵列光波导总体分为四个步骤,但由于传播的光线都是偏振光,所以要在小棱镜上镀十几甚至几十层膜。同时胶合5-7个不同反射比的透镜。总体看几何光波导工艺繁琐,很难保持高良率,量产难度大。

▲几何阵列光波导制造流程

衍射光波导主要分为全息光波导和表面浮雕光波导,通过衍射光栅替代传统几何光学器件。衍射光栅简单来说,是一个具有周期结构的光学元件,周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷 ,也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”。

光栅波导技术采用镜片表面的光栅结构实现光束的扩展和耦出。通过合理的设计光栅结构,光栅波导技术可以实现出瞳的二维扩展。工艺相对简单,批量生产成本低。

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▲衍射光波导示意图

表面浮雕光栅波导方案中通过使用亚波长尺度的表面浮雕光栅代替传统的折反射元件作为光波导中耦入、耦出和扩展区域的光学元件,从而实现对光束的调制。根据凹槽的轮廓、形状和倾角等结构参数的不同,常用的表面浮雕光栅可以分为一维光栅与二维光栅。

一维光栅根据剖面形状划分为矩形光栅、梯形光栅、闪耀光栅和倾斜光栅等,二维光栅常用的结构有六边形分布的柱状光栅。

由于可见光波长为450nm-700nm,所以光栅尺寸是微纳米级别的。之前需要通过半导体加工工艺进行制造,成本高。目前可使用纳米压印技术来制做光栅,其中包括热压法、紫外线纳米压印光刻法和微接触压印法(亦称为软光刻)。其中,紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产的常用方法。

目前浮雕光栅制作的方法更加成熟。同时,压印设备已经可以实现国产化,进一步大幅降低了光栅制造的成本。

通过双光束全息曝光技术在介质中形成干涉条纹,从而可以获得折射率周期性变化的光栅结构。全息体光栅并不是通过结构图型而是通过材料的不同制作光栅,理论上全息光栅的衍射销率可以达100%,有更好的成像效果。

全息体光栅材料和量产工艺是当前门槛。材料端合成难度大,且多用于军用对我国禁运。在量产方面,激光脉冲法不适用于规模量产。所以在全息体光栅方案厂商需要具有IDM能力,提供从材料到量产完整的解决方案。

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▲制造体全息光栅波简易工艺流程示意

目前AR光机有如下几种方案:LCOS、DLP、OLED-on-Silicon和MicroLED。目前AR产品主要使用DLP或LCOS,但是业内普遍对MicroLED方案达到共识,因为各维度参数没有死角,非常适用于AR的应用场景。但当前由于该技术还在研发中,预计25年左右可以初步看到量产方案。

▲各方案对比情况

LCOS硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS),将液晶分子填充于上层玻璃基板和下层金属反射层之间,金属反射层和顶层 ITO 公共电极之间的电压共同决定液晶分子的光通性,而显示驱动电路直接在硅基板上完成制备。

LCoS 的显示原理为:入射的S偏振光经过液晶层,若液晶不产生扭转,达到底部金属反射层反射回来时仍为S偏振光,穿过液晶层射出。随后经过 PBS 棱镜反射回到原来光路 ,光线不进入投影光路,即此像素呈现“暗态”。反之,若液晶发生偏转,入射的S偏振光在经过液晶层时会发生偏振,可穿过 PBS 棱镜是,将进入投影光路,即呈现“亮态”。

LCoS制作工艺主要为通过半导体工艺进行刻蚀与沉积制造将液晶层和各种保护反射层制备到硅基驱动。目前由于LCOS量产工艺成熟,大部分参数都适配光波导,其目前是AR主要方案。

DLP Digital Light Processing数字光处理。原理与LCoS类似,但是不是通过液晶对光学进行处理,而是通过棱镜。

DLP核心在于DMD(Digital Micromirror Device),该核心MEMS器件由TI长期垄断。制作工艺主要为通过半导体工艺制作MEMS系统控制楞镜偏转,从而控制光路。

OLED-on-Silicon硅基OLED方案。原理与传统OLED方案,但由于在玻璃基板上很难驱动小尺寸的像素,从而用CMOS工艺来驱动小尺寸OLED像素。但由于OLED方案的光的亮度小,如果配合光波导在户外使用效果不佳。所以硅基OLED方案会限制AR的使用场景,目前看不是主流方案。

MicroLED是当前工人的AR显示的最佳解决方案,其刷新率、亮度、发光方式、像素密度等指标都可以提供最佳性能指标。目前是业界内比较公认的最佳解决方案。但由于其像素尺寸,间距都是几微米量级,给量产和全彩方案带来了极大的挑战。

MicroLED的工艺流程大致分为三部分,驱动背板、像素制备和晶圆键合。驱动背板由于没有标准,需要芯片设计厂商做定制化开发。像素制备由于发光效率问题,面临新的材料选择和相应的全彩方案结构设计问题。

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▲ MicroLED全流程

MicroLED的一大难点在于,随着像素尺寸的缩小,EQE会降低,特别是红光。所以需要选择新的结构和材料。

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▲ MicrLED发光效率

目前,MicroLED全彩色方案有四种方式。主要分为同质材料的全彩方案,主要使用AlInGaN/InGaN。对叠方案,其中红光和蓝绿光的材料不同,使用AlInGaP。最后一种是量子点技术,也是使用同质材料发光,通过量子点将蓝光转为红色和绿色。

MicroLED发红光的主要有两种方案。采用AlInGaN/InGaN为红蓝绿的像素材料,其优势在于全彩方案结构设计简单,但在GaN掺入In复杂。选择非同质材料AlInGaP为红蓝绿材料,优势在于AlInGaP技术相对成熟,但劣势在于全彩方案结构复杂,需要多次进行晶圆键合影响良率。目前两种方案都还没有成熟的量产方案。

MicroLED全彩方案采用蓝光+量子点技术,目前是短期可以实现量产的方案。该方法主要使用GaN制备蓝光,在与CMOS驱动背板键合,工艺和材料相对其他方案简单,易于量产。制备完像素后,在每个像素点喷涂量子点,使得蓝光转化为红光和绿光,完成全彩方案。

▲MicroLED量子点技术

目前AR最佳解决方案是波导+MicroLED方案,但由于MicroLED还在研发中,AR行业的成熟方案尚需一定时间。

▲AR不同光学产品与显示产品之间的匹配度

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▲各家科技龙头企业都在积极布局全彩MicroLED方案。

情背景下“宅经济”的出现,使得AR/VR在B端和C端同时拥有了更现实和迫切的入口。在新的光学、显示等技术的加持下,VR有望实现一次飞跃。而对于AR,虽然AR的远期前景好于VR,但由于现阶段诸如MicroLED等技术的不成熟,预计近期AR的表现会略逊于于VR。

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