蘋果推出期盼已久的 MR 設備「Vision Pro」,讓大家對於 AR 設備的想像和應用更清晰,從官方照看,Vision Pro 外型雖不像 VR 設備笨重,但距離理想中的 AR 眼鏡仍有一段路。
蘋果 Vision Pro 採用 Micro OLED 技術,透過外側螢幕能顯示出表情狀況,業界也期待隨著 AR 技術繼續發展,能從 Micro OLED 過渡到同樣身為次世代顯示技術的 Micro LED,使 AR 設備實現輕薄化、眼鏡化。
自 2021 年到現在,全世界已有超過 10 個品牌廠商推出 Micro LED 穿透式 AR 智慧眼鏡概念機。Trendforce 預估,至 2026 年 Micro LED 穿透式 AR 智慧眼鏡晶片產值約為3,830 萬美元,2023~2026 年 Micro LED 晶片的年複合成長率約 704%。
▲ 2021-2026 Micro LED AR 眼鏡晶片產值。(Source:Trendforce)
但 Micro LED 在 AR 技術的優勢到底在哪?為何蘋果選擇先使用 Micro OLED?還有其他能應用在 AR 領域的顯示技術嗎?就讓《科技新報》帶你一次了解。
AR 設備也分理想和現實
雖然許多 AR 設備都有擴增實境(AR)功能,但如同蘋果 Vision Pro 一樣,最終外貌並非庫克理想中的樣子。了解開發過程的知情人士透露,這款產品其實遠遠偏離庫克最初設想,蘋果當初想設計不顯眼且能每天配戴的設備,但現在變成類似滑雪鏡,且需要單獨的電池組。
事實上,從目前技術來看,要實現真正理想中的 AR 產品,可能時日過早。目前 AR 功能產品嚴格來說大都採用影像透視(Video See-Through,VST)技術,即相機捕捉真實世界場景,再透過運算、電腦圖像技術結合,呈現於不透明顯示器上。
理想上是光學透視(Optical See-Through,OST)技術,用戶透過眼前的半透明光學合成器看到真實世界,搭配投影投射到用戶眼睛,結合真實世界和虛擬世界。
研調機構 TrendForce 透露,理想中的穿透式智慧眼鏡必須符合三大條件:首先,為了盡可能減輕眼鏡的穿戴負擔,顯示光引擎(又稱「光機」,Light Engine)尺寸大小約在 1 吋以下;其次是內容辨識度要求方面,顯示器亮度規格至少要達到 4,000 nits 以上,確保不受天氣或場地等外在環境影響;最後是解析度至少須達 3,000 PPI 以上,讓投影放大畫面清晰。
業界人士表示,穿透式 AR 眼鏡主要場景可能是戶外與行進中,必須考量一般戶外天氣甚至晴天的亮度,加上目前光波導(Waveguide)鏡片效率很低,約介於 0.1-1%,光損失非常大,所以需要很強的光來通過光波導鏡片,才能顯示在顯示器上。一般來說,AR 顯示器亮度必須超過 100 萬、甚至 1,000 萬 nits 才行。
▲ 不同環境下的亮度需求。(Source:科技新報製圖)
發展 AR 眼鏡,哪一個顯示技術較具優勢?
AR 眼鏡的主流顯示技術可分為被動式微顯示技術、主動式微顯示技術及掃描顯示技術。
被動式微顯示技術包括 LCD、LCOS(Liquid Crystal on Silicon,矽基液晶)和 DLP(Digital Light Processing)技術(表格左 3 項),須以 RGB LED 或 RGB雷射做為光源,目前技術較成熟,缺點是光引擎尺寸(Light Engine Size)較其他技術大。
▲ 各種顯示技術優劣比較。(Source:Trendforce)
主動式微顯示技術包括 Micro OLED 和 Micro LED(表格右 2 項),Micro OLED 擁有自發光等特性,但易受限於亮度問題;Micro LED 在對比度、壽命、省電等規格表現上優於 Micro OLED,但因為 RGB 整合難度大,應用在 AR 眼鏡仍有許多挑戰。
掃描顯示技術(Laser Beam Scanning,LBS)使用 RGB 雷射做為光源,搭配 MEMS 進行掃描成像,但可能導致散斑現象。
介紹完所有主流顯示技術後,我們接著會以 Micro OLED、Micro LED、LCOS和 LBS 這四種技術進行優劣分析:
1. Micro OLED:適合發展 VR/MR 設備,亮度是硬傷
蘋果 Vision Pro 採用 Micro OLED 技術,但因有機材料發光特性,亮度表現上仍輸給 Micro LED、LBS、LCOS 和 DLP(Digital Light Processing)。
即使 Micro OLED 廠商持續提升亮度,如透過不同光層來發光、調整 Pattern、採用磷光材料等方式,但調高亮度的同時仍使有機材料壽命減少,可說是天生硬傷。而在亮度表現上,則以 LBS、Micro LED 表現最好。
Micro OLED 技術仍以 SONY 為主要供應商,由於投入時間較長,更具技術優勢,但據最新消息,韓廠 LGD(LG Display)已加入蘋果 Vision Pro Micro OLED 供應鏈,打破 SONY 獨供局面,這有助增加蘋果 Vision Pro 產量、使成本下滑。
2. Micro LED:AR 應用最具競爭優勢,但技術仍有一段路需克服
不管是 PPI、亮度、對比度、光引擎尺寸,Micro LED 皆拿下五顆星,但技術成熟度是一大問題。Micro LED AR 眼鏡因全彩化技術瓶頸,目前仍以單色顯示為主,主要是資訊提示、導航、翻譯以及提詞器等基本的顯示資訊功能。
此外,高解析度勢必需要進行晶片微縮,Micro LED 尺寸需要縮小至 5um,這時磊晶製程會因波長均勻性問題而影響良率,同時也會出現紅光晶片的外部量子效率(EQE)問題。但中長期來看,Micro LED 仍是絕佳選擇。
3. LCOS:技術成熟但高功耗、低對比度限制發展
LCOS 是 AR 終端常用的顯示技術,成本低、色域廣,由於是反射式技術,光利用率可提高至 40%,即產生較高的亮度,並隨著半導體製程的微細化,逐步提高解析度;缺點是對比度低,且通常必須搭配「偏振分光器」(Polarizing Beam Splitter,PBS),限制了整體光引擎的小型化過程。
4. LBS:光引擎尺寸微縮媲美 Micro LED,但技術一樣未成熟
LBS 技術原理是以 RGB 雷射做為光源,經由光學元件校準以及合束後搭配搭配 MEMS 進行掃描成像,耦合進入光波導。光波導如同一般眼鏡的鏡片,影像會在光波導裡面傳遞,然後最終投射進使用者的眼睛。
LBS 優勢包括亮度高、低功耗、色純度高、高對比等,但雷射可能導致光斑(Speckle)現象。目前歐司朗(Ams OSRAM)開發一款適用於 LBS 技術的 RGB 整合式雷射搭配MEMS方案,可將整個光引擎體積縮小到1cc 以下,有助於消費類 AR 眼鏡開發。
根據歐司朗系統方案工程經理的說法,基於 ams OSRAM 的三合一 RGB 雷射(VEGALAS RGB)設計的光引擎可將尺寸進一步縮小至 0.7cc。值得注意的是,由於這顆雷射尚未整合光束整形光學,所以光束校準和合束需要在封裝外實現。
AR 眼鏡技術關鍵瓶頸:光引擎尺寸
JBD 營運長徐慧文曾說過,要實現 AR 眼鏡輕量化,最關鍵的是光引擎尺寸,「光引擎尺寸達 1cc,才能使眼鏡變成接近正常眼鏡的型態」,而光引擎尺寸必須小於 1 cc,也成為業界共識。全彩光引擎若能達到小於 1 cc 這個目標,目前只有 LBS、Micro OLED 與 Micro LED 這三種技術有機會達成。
其中,Micro LED 在畫素尺寸、發光效率、亮度等特性,都比 Micro OLED 還好,規格看是最適合 AR 眼鏡的應用,也是光引擎的首選;但現狀只能是單一綠光顏色,Micro OLED 則可以到全彩,在 AR/VR 設備中較占優勢。
▲ Micro OLED、Micro LED 光引擎比較。(Source:Trendforce)
TrendForce 表示,目前 Micro LED 光引擎技術尚未成熟,紅光的外部量子效率過低,全彩化微型顯示器的問題相繼產生,加上微型顯示器尺寸太小時,造成視場角(FOV)過小影響觀看視野,若以光波導的光學設計方式,入射光須提供更高亮度才能滿足戶外使用規格,而穿透式智慧眼鏡需長時間的穿戴,因此電池的使用壽命及大小,直接影響產品外觀設計,另外如何結合感測器將影像資料傳輸及處理也是一大問題。
本文與 Micro LEDforum 2023合作
由TrendForce集邦科技主辦的Micro LEDforum 2023將於9月5日登場,今年邀請晶成、友達、Nitride Semiconductor、Coherent、Mojo Vision、Lumus、Porotech與Inziv等公司,以Micro LED顯示為核心,圍繞在空間運算趨勢、技術進化與應用革新三大面向展開深入討論。
(首圖來源:蘋果)