增强现实与虚拟现实头显中的微显示技术
2025-11-27
原文作者：Inbo Sim, Kyusung Choi, Yongmin Baek, Jun Hee Choi, Jang Jo, Jiwoon Yeom, Boeun Kim, Yongjoo Cho, Heesung Lee, Hyungseok Bang, Jun-Han Han, Dong Hyuk Park, Jongchan Kim, Kyusang Lee
核心要点
1.用于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的头戴式显示器与近眼显示器，需具备高像素密度和高亮度，同时在视场角、出瞳范围、角分辨率和对比度之间达到适当平衡，且整体形态需轻量化。
2.三类主流 AR/VR 微显示光引擎技术已逐渐成熟，均基于硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）背板，分别为：硅基液晶（LCoS）、硅基有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）。
3.LCoS 是反射式显示器，采用外部高功率光源且无需滤色片，可实现高像素密度和高亮度，但在偏振与反射过程中会产生光损耗。
4.OLEDoS 是自发光显示器，兼具高对比度和广色域优势，且易于制造，但用于 AR 显示器时亮度表现受限。
5.LEDoS 同样是自发光显示器，拥有高亮度和高对比度，且使用寿命较长，但制备工艺尚不成熟，导致制造成本偏高。
6.目前已开发出表征这些微显示器性能的新技术，同时一种新型光学合光器 —— 波导合光器，已应运而生并适配 AR 微显示应用。
引言
沉浸式技术的快速发展，正推动着用于增强现实（AR）和虚拟现实（VR）的头戴式显示器与近眼显示器的研发 ¹⁻³（图 1a）。随着 AR 和 VR 技术在医疗、教育、娱乐等多个领域的应用日益广泛 ¹⁻⁵，市场对兼具小巧体积与高像素密度的显示器需求迫切，以实现高质量的沉浸式体验。然而，尽管大尺寸显示技术已取得显著进步，AR 和 VR 领域微显示器的核心技术要求仍难以全面满足。
基于人眼的视觉敏锐度，加之 AR 或 VR 屏幕与人眼距离极近，这类微显示器必须具备远高于传统显示器的像素密度，才能减轻 “纱窗效应”（SDE）—— 即消除可见的像素结构 —— 并确保逼真、高保真的视觉体验 ²⁶⁻⁸。高对比度与高亮度同样至关重要，尤其对于 AR 应用而言，需在包括明亮户外环境在内的各种 ambient 光照条件下，提供清晰可辨的图像。此外，微显示器还需满足快速响应时间、宽动态范围、广色域等要求，同时具备小巧轻便的设计（即 “外形尺寸”），以适配长时间舒适佩戴的使用场景。
目前已有三类主流微显示技术应用于 AR 和 VR 领域（图 1b）：硅基液晶（LCoS）、硅基有机发光二极管（OLEDoS）和硅基发光二极管（LEDoS）。LCoS 通过液晶层借助偏振控制调节外部光源的光线；OLEDoS 由直接沉积在硅基板上的自发光有机材料构成；LEDoS 则集成了基于无机半导体的微米级发光二极管（即 “微 LED”）。三类技术各具独特优势：LCoS 通过时序彩色工作模式实现高分辨率，OLEDoS 兼具优异对比度与紧凑外形，LEDoS 则展现出卓越的亮度与可靠性。
要推动这些技术在 AR 和 VR 领域的进一步发展，需采用跨学科的综合研究方法，涵盖材料科学、器件制备、基板电路设计、光学系统集成及先进表征技术等多个方面。在本篇评论文章中，我们首先概述 AR 和 VR 微显示器的技术要求，随后探讨 LCoS、LEDoS 和 OLEDoS 三类技术各自的优势与局限，并介绍一些突破现有瓶颈的创新思路。同时，本文还将介绍互补金属氧化物半导体（CMOS）基板技术，该技术能够实现对这些微尺度显示单元的精准控制，并支持高速刷新率 —— 这两项特性对于实现沉浸式 AR 和 VR 体验至关重要。最后，我们将阐述用于微米级单个像素及微显示面板精准表征的技术方法，并探讨光学合光器的应用。
AR 与 VR 显示器的技术要求
AR 与 VR 显示器贴近用户眼部，且必须适配人类视觉系统。因此，用于 AR 和 VR 应用的微显示器存在特定技术要求，具体汇总于表 1。
视场角（FOV）
视场角（FOV）指虚拟图像可被观测到的角度范围 ³（图 2a）。为实现无缝的 3D 体验，视场角需与人类视觉系统的视场角高度匹配。人类单眼水平视场角约为 160°、垂直视场角约为 130°，双眼水平视场角为 200°、垂直视场角为 130°，且存在 120° 的水平重叠区域⁹。
另一关键参数是 “出瞳范围”（图 2a），其定义为用户无需遭遇 “渐晕现象”（即图像边缘亮度衰减）就能看到完整图像的三维区域。出瞳范围越大，越能兼容不同头戴设备使用者的瞳距差异，也能适应设备轻微移位，从而提升使用过程中的稳定性 ¹⁰。
但受光学系统中光扩展量守恒原理的限制 ¹¹，出瞳范围增大会导致视场角缩小；反之，视场角加宽会减小出瞳范围，进而限制眼睛与头部的活动灵活性。因此，必须在视场角与出瞳范围之间达成平衡，以优化沉浸式体验。
在 VR 系统中，考虑到人类双眼视场角重叠区域约为 120°，通常会采用约 100° 的宽视场角设计。这一设计能最大程度减少封闭头戴设备内可感知的显示边界，进而实现全沉浸式体验 ¹ˌ¹²ˌ¹³。
而 AR 系统通过基于衍射波导的光学器件实现静态信息叠加，其视场角约为 20°。这一较窄的视场角对于实现瞳孔扩展、缓解波导内全内反射引发的出瞳范围色彩色散至关重要 ¹⁴。
角分辨率
人类视觉系统每度约可分辨 60 个像素，因此这一数值成为 AR 与 VR 系统实现清晰逼真图像显示的角分辨率目标 ²。当显示器距离观察者眼睛 1 英寸时，要实现每度 60 像素的角分辨率以呈现无缝图像，需将子像素间距控制在约 2.5 微米（图 2b）。在上述参数条件下，AR 和 VR 设备若要达到 3840×2160 像素的分辨率，显示器对角线长度需约为 1.3 英寸，对应的像素密度约为 3440 像素 / 英寸（PPI）。角分辨率不足会引发纱窗效应（SDE）：即像素间的间隙会以网格状图案显现，破坏图像的平滑度与逼真度 ¹⁵（图 2c）。
图1:增强现实与虚拟现实用微显示器
a 虚拟现实（VR）头显与增强现实（AR）眼镜分别适用于封闭昏暗环境与开放明亮环境，为用户提供沉浸式体验。核心组件包括微显示器，而 AR 设备还需搭配光学合光器。
b 为满足 AR 与 VR 应用的技术需求，三类光引擎技术应运而生：硅基液晶（LCoS）、硅基有机发光二极管（OLEDoS）及硅基发光二极管（LEDoS）。LCoS 通过液晶层借助偏振控制调节外部光源的光线；OLEDoS 由直接沉积在硅基板上的自发光有机发光二极管（OLED）构成 —— 通常在彩色滤光片下方设置白色 OLED，以实现全彩显示；LEDoS 同样为自发光技术，采用由无机半导体制成的红 - 绿 - 蓝（RGB）微米级发光二极管（微 LED）。CMOS：互补金属氧化物半导体。
图｜相关论文
对比度与亮度
高对比度至关重要，尤其对于开放式 AR 眼镜的显示器而言。事实上，环境对比度（ACR）—— 即存在环境光时的对比度 —— 是 AR 应用中比绝对对比度更关键的指标（图 2d）。为在各类光照条件下有效呈现图像，AR 显示系统的环境对比度需至少达到 3:1。晴天的环境光亮度约为 3000 尼特（1 尼特相当于 1 坎德拉 / 平方米），因此 AR 显示器需具备 9000 尼特以上的亮度，才能在阳光下保持清晰可视性⁸ˌ¹⁰ˌ¹⁶。但 AR 显示器通常会与光学波导合光器搭配使用，而这类合光器的效率约为 1%，因此显示器亮度必须达到约 100 万尼特，才能确保足够的可视性 ¹⁷。
VR 显示器通常要求较低的亮度，典型值约为 150 尼特，这得益于其封闭设计 ¹⁰ˌ¹⁷。但为消除运动模糊，显示单元的发光占空比通常较短，仅为 10%，因此需将常规显示亮度提升 10 倍（即 1500 尼特），以维持足够的视觉清晰度。此外，头戴设备中会采用折叠光路（pancake）光学器件、菲涅尔透镜等先进光学镜片，而这些镜片的光学效率有限，进而推高了对显示器亮度的要求。考虑到折叠光路（pancake）光学器件的光学效率约为 25%，VR 显示器需达到 6000 尼特的亮度，才能保证图像清晰度 ¹⁰。
刷新率
AR 与 VR 系统的刷新率要求由其不同应用场景决定。VR 环境包含动态虚拟内容与用户运动，需至少 120 赫兹（Hz）的刷新率，以维持无缝交互并减轻晕动症。AR 系统主要用于呈现静态信息叠加，最低刷新率达到 60 赫兹（Hz）即可有效运行 ¹⁸ˌ¹⁹。
表 1 | 增强现实与虚拟现实技术的典型微显示器要求对比概览
硅基微显示器
早期用于增强现实（AR）和虚拟现实（VR）的微显示器依赖液晶显示（LCD）技术，这得益于其成熟的制造工艺 ²⁰ˌ²¹。但传统 LCD 需配备背光单元才能工作，导致设备体积庞大、重量较重。此外，其响应速度慢、色彩饱和度低的特点，使其不太适用于 AR 和 VR 显示器 ²¹。为缓解这些问题，反射式 LCD 技术应运而生，无需采用空间彩色子像素即可实现高像素密度和高亮度图像显示。反射式 LCD 通过外部红 - 绿 - 蓝（RGB）光源工作，入射光经液晶层反射的同时，每个像素的透明度会被调节，进而呈现彩色图像。该技术省去了背光单元，能够实现微显示器的轻薄化设计。
微显示技术的其他发展方向聚焦于基于有机发光二极管（OLED）和无机发光二极管（LED）的自发光器件。有机发光二极管（OLED）的核心优势在于，在保持优异性能的同时具备高量产制造能力 ²²。已有像素密度超过 3000 像素 / 英寸（PPI）的 OLED 产品问世，这类产品能有效抑制纱窗效应、提升观看舒适度，非常适合长时间使用 ²³。尽管具备这些优势，OLED 在 AR 和 VR 应用中仍面临挑战，例如光学串扰、亮度有限及像素均匀性不足等问题。尤其是其约 10000 尼特的亮度上限，使其在 AR 显示器等超高亮度应用场景中的推广面临严峻挑战 ²⁴。相比之下，基于无机半导体的微 LED 具有高亮度、长寿命等优势，在 AR 和 VR 领域极具应用前景。但高像素密度全彩微 LED 微显示器的制造良率目前仍存在局限。
将 LED 尺寸缩小至微米级，还需要驱动电路的技术突破 —— 即主动矩阵基板，其通过每个像素内集成的晶体管和电容器控制显示器中的单个 LED。传统主动矩阵基板通常采用低温多晶硅和氧化物薄膜晶体管，原因在于其制造成本效益高且具备可扩展性。但传统薄膜晶体管不可避免地存在阈值电压漂移问题（由栅极偏压应力导致），且晶界会引发性能不均匀 ²⁵⁻²⁸。当微显示器的像素密度超过 2000 PPI 时，这些差异会更加显著，进而导致亮度不均和图像失真 ²⁹ˌ³⁰。
这类不一致性会阻碍对单个像素亮度的精准控制，最终影响微显示器呈现高像素密度、高质量图像的准确性。此外，薄膜晶体管的特征尺寸相对较大（通常为几微米量级），这使得像素密度难以突破 1000 PPI—— 对于要求像素密度超过 2000 PPI 的微显示器而言，这一数值远远不足 ³¹ˌ³²。一种潜在解决方案是采用硅基互补金属氧化物半导体（Si-CMOS）基板电路，该技术具备更优的像素密度、均匀性和运行速度。这一技术突破推动了硅基液晶（LCoS）、硅基 OLED（OLEDoS）和硅基 LED（LEDoS）技术的发展，这三类技术均将发光单元集成在 Si-CMOS 基板上。
显示用互补金属氧化物半导体背板技术
在高像素密度微显示领域，硅基互补金属氧化物半导体（Si - CMOS）背板技术已成为极具潜力的薄膜晶体管替代方案，成功突破了薄膜晶体管背板在增强现实与虚拟现实显示应用中的性能局限。这种基于单晶硅的互补金属氧化物半导体架构，不仅缺陷密度极低，还具备出色的载流子迁移率，能够实现超高像素密度下稳定且均一的显示效果，而这正是增强现实和虚拟现实微显示器实现高像素密度所不可或缺的核心特性。
成熟的互补金属氧化物半导体技术可在像素阵列中集成紧凑型补偿电路，同时最大限度减少晶体管与电容器的使用数量。采用 22 - 150 纳米工艺节点，在 8 英寸或 12 英寸晶圆上制备的硅基互补金属氧化物半导体背板，能使微显示器的像素密度突破 10000 像素每英寸。
不同显示技术的工作机制差异显著，因此对互补金属氧化物半导体背板的性能要求也大相径庭。传统的发光二极管驱动方式采用脉冲幅度调制技术，即通过改变驱动电流大小来调节发光亮度。但对于微米级尺寸的像素而言，每个子像素的最大电流仅能限制在几纳安，对应的电压调节范围也仅有数百毫伏。如此狭窄的电压区间难以实现高色深显示，而现代显示设备通常要求每个色彩通道达到 10 位至 12 位的色分辨率。
硅基液晶显示系统需实现驱动电压的极性反转，其电压摆幅最高可达 5 伏，远高于互补金属氧化物半导体核心逻辑电路 1.2 - 1.8 伏的标准电压范围。硅基有机发光二极管显示系统属于电流驱动型，对供电电压要求较高（8 - 10 伏），尤其是在叠层结构中，每增加一层都会导致电压的累积下降。与之相反，硅基微发光二极管显示器的工作电压相对较低（约 3.2 伏），其亮度调节依靠脉冲宽度调制技术 —— 在固定驱动电流的前提下，通过改变脉冲的持续时间和频率来调控亮度，以此缓解微发光二极管中存在的电流依赖性色偏问题。相较于脉冲幅度调制方案，脉冲宽度调制技术需要在像素电路中增设晶体管，包括逻辑门和静态随机存取存储单元等器件。
近年来出现的混合驱动技术，结合了脉冲宽度调制（用于高灰度级显示）与脉冲幅度调制（用于低灰度级显示）的优势。这种混合驱动方式既能有效减少图像失真，又能拓宽电压工作范围，同时还可优化灰度显示效果。
尽管硅基互补金属氧化物半导体背板技术相较于传统薄膜晶体管系统，在增强现实和虚拟现实领域具备显著优势，但仍面临不少挑战。有效的散热管理至关重要，这是保障设备持续稳定运行的关键 —— 过高的温度会同时损害发光二极管器件和互补金属氧化物半导体电路性能。此外，发光二极管与硅基互补金属氧化物半导体背板的精准对位也极为关键，这是确保整个显示面板像素性能均一性的核心前提。
硅基液晶（LCoS）
尽管有机发光二极管（OLED）和微 LED 技术已取得进展，但液晶显示器（LCD）凭借成本效益高、良率高且可扩展的制造工艺，仍占据显示市场的主要份额。LCD 通过施加电场控制交叉偏振片之间液晶分子的取向切换，从而调制外部入射光。但由于存在漏光问题，LCD 难以实现高对比度，且液晶分子的重新取向动力学特性会导致响应速度变慢。
为解决这些局限，多种液晶模式已被开发，包括垂直取向模式、铁电模式和混合模式扭曲向列相 ³⁹。垂直取向模式下，液晶分子初始时垂直于基板排列，施加电压后会倾斜以允许光线透过⁴⁰。尽管其切换速度（1-2 毫秒）慢于其他模式，但垂直取向模式能实现更优的对比度（约 5000:1），且可对光强进行模拟控制。铁电液晶具有大自发极化特性，在外加电场作用下，可在微秒级时间内在两个稳定状态间实现高速切换⁴¹。混合模式扭曲向列相液晶融合了扭曲向列排列与混合模式工作的优势，在优化响应速度和对比度的同时，最大限度减少边缘场效应 —— 这对动态光学调制至关重要 ¹⁷ˌ⁴²。
然而，由于液晶层存在漏光，LCD 的对比度本质上仍较低，且在 VR 头显的光隔离观看环境中，这种低对比度会更加明显。近期微型 LED（mini-LED）局部调光阵列的应用，通过选择性调制并关闭需要显示黑色像素区域的 LED 单元来解决漏光问题，已提升了 LCD 基 VR 显示器的对比度⁸。但该技术也会因 LED 单元与 LCD 像素的不匹配，在高对比度边界处产生可见伪影，包括光晕和光环效应⁸。
图 2 ：增强现实与虚拟现实用微显示器的关键参数
a 视场角指包含微显示器图像且与眼部适配的角度范围。在出瞳范围内，用户能以满亮度看到完整的微显示器图像。
b 像素密度（PPI）需求随显示设备与眼部的距离变化而不同，涵盖从极贴近眼部的微显示器到较远的电脑显示器。
c 当微显示器与眼部距离较近时，像素间的间隙会变得可见，进而产生 “纱窗效应”。
d 环境对比度与增强现实眼镜密切相关 —— 即存在环境光照条件下的对比度。
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图 3 ：硅基液晶（LCoS）
a 硅基液晶（LCoS）显示器的横截面示意图。光强由施加在硅基互补金属氧化物半导体（Si-CMOS）背板上的电压控制：电压的通断会改变液晶层中分子的取向，使显示器在亮态与暗态之间切换。
b LCoS 的典型投影方案包含 X 立方体和偏振分束器。该方案投射的图像亮度较高，但系统体积庞大。
c 另一种方案可省去 X 立方体，通过带滤色片的 LCoS 显示器搭配白光照明实现更紧凑的系统，不过空间分割的子像素会降低图像分辨率。
d 前照式 LCoS 光引擎采用薄型波导替代庞大的偏振分束器：单个 LCoS 面板通过依次反射来自独立光源的红（R）、绿（G）、蓝（B）光生成彩色图像。由于无需滤色片，像素密度得以提升。
e 对于增强现实（AR）应用，集成波导的眼镜可与 LCoS 光引擎搭配，制成紧凑轻便的 AR 眼镜。LED：发光二极管。
图｜相关论文
在无需纯黑显示、且高亮度更为有利的 AR 系统中，LCoS 技术已受到关注⁴⁴ˌ⁴⁵。LCoS 属于反射式显示器：硅基 CMOS 背板电路上的金属电极反射镜位于液晶层下方，液晶层顶部覆盖带有取向层的玻璃盖板⁴⁶ˌ⁴⁷。单个 LCoS 面板可实现时序红 - 绿 - 蓝（RGB）光调制，其像素状态会以高频与外部光源同步切换（图 3a）。由于切换频率超过人眼感知范围，观察者通过反射光的时间积分即可看到全彩图像。这种时序彩色方案无需空间滤色片，能够实现极高的像素密度。商用 LCoS 面板的像素尺寸约为 4 微米，对应像素密度达 6000 像素 / 英寸（PPI）¹⁷ˌ³¹。近期已展示像素间距为 2.15 微米、像素密度达 11800 PPI 的 LCoS 面板⁴⁸。
近眼显示用 LCoS 技术需要额外的光学架构来传递图像。传统方案包括偏振分束器（通过偏振状态分离入射光，并将过滤后的光线导向 LCoS 面板）和 “X 立方体”（玻璃立方体分束器，可组合 RGB 光并通过单个单色面板实现全彩显示）⁴⁹。如图 3b 所示，时序 RGB 照明经 X 立方体和偏振分束器投射至 LCoS 面板；LCoS 通过电压控制液晶分子调制反射光的偏振状态⁵⁰ˌ⁵¹；随后，LCoS 输出的 RGB 图像沿光路放大并投射为最终画面。为简化光学组件，可省去 X 立方体并将滤色片与 LCoS 集成（图 3c），但这种方案虽能实现 AR 眼镜的轻量化，却会牺牲高像素密度显示效果。光学架构的其他进展已实现用紧凑型透明波导替代传统基于偏振分束器的 bulky 系统，适用于轻薄型 AR 眼镜（图 3d、e）。
LCoS 通过使用高亮度外部光源（如亮度可超过 300 万尼特的 mini-LED）实现高亮度。尽管反射图像的亮度会在偏振和反射过程中有所衰减，但 LCoS 通常能向波导传递亮度超过 30 万尼特的图像。这种高亮度图像对 AR 眼镜至关重要：AR 眼镜需通过透明轻薄的波导合光器向用户传递透视虚拟图像，但 AR 波导合光器的光学耦合效率极低，通常仅为 1% 或更低。光学合光器中的大量光损耗会导致环境对比度（ACR）下降。使用光学效率高达 15% 的超表面基几何合光器可提升 ACR，但高制造成本和低良率使其难以实际应用 ¹⁴。对于 AR 眼镜而言，在明亮户外环境中向人眼显示图像时，光损耗问题尤为关键 —— 此时需投射图像亮度达到约 2500 尼特，才能实现 3:1 的 ACR¹⁷（表 1）。为缓解 ACR 下降，已有研究展示了一种与显示器同步的调光技术，通过增加额外液晶层选择性衰减透过眼镜的外部光线⁵²。
LCoS 还具备利用激光实现全息显示的潜力，使其应用场景更加广泛⁴³。全息投影可使虚拟图像具备深度感知，从而消除因调节 - 集合冲突（人脑难以处理不匹配的视觉线索）引发的不适感⁵³。展望未来，LCoS 技术若要保持竞争力，需在多个方面取得进展，包括提升对比度、简化 bulky 光学组件、减轻小像素间距下的边缘场效应、降低功耗以及拓宽工作温度范围。
硅基有机发光二极管（OLEDoS）
OLEDoS 微显示器融合了有机发光二极管（OLED）与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的优势，能够实现高像素密度。其研发基于 OLED 平板显示器成熟的制造工艺，这一基础确保了其商业应用的可靠性与可扩展性。OLEDoS 具备广色域、深黑显示和高对比度的特点，适用于紧凑、高像素密度的增强现实（AR）和虚拟现实（VR）应用场景。
在结构上，OLEDoS 由集成的发光 OLED 前板和为单个 OLED 提供驱动电流的 CMOS 背板组成。前板通常采用顶发射结构的白色 OLED，通过热蒸发工艺制备并由薄膜封装层保护（图 4a）；顶部的红 - 绿 - 蓝（RGB）滤色片可实现全彩显示。这种结构无需阴影掩模即可制造，能实现超高像素密度的微显示器，但滤色片的吸收损耗会导致整体亮度降低⁵⁴。
图 4：硅基有机发光二极管（OLEDoS）
a、b 实现全彩微显示器的两种方案：一是在白色有机发光二极管（OLED）层上方设置红、绿、蓝（RGB）滤色片（CFs）（a）；二是采用独立的红、绿、蓝 OLED 子像素，每个子像素分别配备红、绿、蓝发光层（b）。
c 通过精细金属掩模在互补金属氧化物半导体（CMOS）背板上进行有机发光层的沉积与图形化。该方法常存在阴影效应问题，即材料会超出设定的像素区域。
d 单堆叠白色 OLED 与三堆叠叠层白色 OLED 结构的示意图。与单个发光单元相比，相同电流密度下，叠层结构的亮度更高。
e、f 也可通过集成微透镜阵列提升亮度：一种是将单独制备的微透镜集成在滤色片基板上（e）；另一种是在低温条件下直接在 OLED 的滤色片上制备微透镜（f）。
图｜相关论文
另一种方案是无需滤色片，直接将红光、绿光、蓝光发光材料沉积在 CMOS 子像素上，制成 RGB OLED。每个子像素的最优器件结构受光学微腔效应的显著影响，该效应会随发射光谱变化：因此红光 OLED 所需的有源层厚度大于绿光或蓝光 OLED⁵⁵ˌ⁵⁶（图 4b）。此外，RGB 子像素间传输层厚度的差异会导致激子分布和器件导电性的变化，但这些问题可通过多种方式补偿，例如在发光层中采用梯度掺杂分布和混合主体结构。然而，这种方案受限于传统精细金属掩模制造工艺的像素密度上限（图 4c）。精细金属掩模是一块带有 apertures 的薄板， apertures 与所需的像素网格布局匹配；制造工艺的分辨率本质上受金属掩模的高热膨胀率及由此产生的下垂问题限制，通常最高仅能达到 500 像素 / 英寸（PPI）。采用精细硅掩模可避免掩模下垂和热变形问题，因为可通过在硅晶圆上沉积的氮化硅（SiNₓ）薄膜中设计拉应力，以保持所需的平整度⁵⁷ˌ⁵⁸。
提升 OLEDoS 的亮度
尽管将有机发光二极管（OLED）集成在互补金属氧化物半导体（CMOS）背板上可实现高像素密度，但这类微显示器的亮度相对较低，这限制了其在增强现实（AR）设备中的应用 ——AR 设备需具备约 100 万尼特的亮度（以适配其透明背景和衍射合光器的低耦合效率）；而目前 OLEDoS 的亮度仅能达到约 10000 尼特 ¹⁷。要实现更高亮度，驱动电流密度需超过 100 毫安 / 平方厘米，但这会加速材料老化并缩短使用寿命⁵⁹⁻⁶¹。因此，提升亮度是 OLEDoS 在 AR 应用中最关键的问题。
构建 “叠层” OLED 结构有望解决亮度问题。该结构中，多个发光单元堆叠排列，并通过电荷产生层串联连接（图 4d）。在相同驱动电流密度下，亮度提升与堆叠发光层的数量成正比 ²⁰ˌ⁶²ˌ⁶³。但由于有源层串联连接，叠层 OLED 存在驱动电压升高的局限。已有多种降低电压的方案被提出，例如采用更高导电性的传输层和最小化电荷注入势垒⁶⁴。此外，叠层结构还面临色稳定性问题，这通常由电荷产生层中的横向漏电流引发的电串扰导致，在高像素密度阵列中尤为明显。通常采用沟槽隔离或气隙隔离（物理分隔每个像素）以及像素间反射层的方式，来抑制横向电串扰⁶⁵ˌ⁶⁶。在电荷产生层中构建低电阻电流通路，可确保电流精准输送至目标像素，进而提升色稳定性⁶⁷。
通过使用微透镜阵列（MLA）抑制内部反射，提升光提取（外耦合）效率，也可增强 OLEDoS 的亮度⁶⁸⁻⁷⁹（图 4e、f）。为最大化外耦合效率，需通过高精度光学对准系统实现 MLA 与 OLED 子像素的精准对齐。传统 MLA 制备采用的高温固化工艺可能会损坏 OLED 器件，因此改为将 MLA 集成在独立玻璃基板上，再通过树脂键合到 OLEDoS 面板顶部⁸⁰（图 4e）；但这种方案中 MLA 与 OLED 子像素距离较远，光学效果有限。近期已展示通过低温可加工材料在 OLEDoS 子像素上直接制备 MLA 的技术（图 4f），该技术显著提升了光提取效率：一款 1.3 英寸、像素密度 4175 像素 / 英寸（PPI）的 OLEDoS 面板，峰值亮度已突破 10000 尼特⁸¹。
分布式布拉格反射器的应用是另一项提升亮度、对比度和色纯度的潜力光学方案。这类反射器可增强模式选择性，使发射光谱变窄，并增加 OLED 发光层内的辐射衰减。在 OLEDoS 中，底部金属电极与顶部反射层之间可形成强微腔，从而提升光提取效率，使亮度实现五倍提升⁸²。
OLEDoS 的其他挑战
OLEDoS 所需的高亮度要求驱动电流密度超过 100 毫安 / 平方厘米，这会因材料加速老化而缩短器件的工作寿命。该问题在蓝光 OLED 中尤为严重，因为蓝光发射所需产生的高能激子更容易导致材料降解。已有多种提升蓝光 OLED 寿命的策略被提出，包括叠层 OLED—— 将激子密度分布在多个发光层中，从而减轻单个单元的负担。但考虑到前文讨论的叠层结构局限性，研究人员已探索其他替代方法，包括梯度掺杂分布⁸³、超荧光设计⁸⁴、基于高能掺杂剂的激子管理⁶¹ 以及抑制发光层聚集⁸⁵。利用珀塞尔效应提升辐射衰减速率的方案⁸⁶，也已被用于抑制发光层内的高能激子密度，以延长器件寿命。
对于 VR 显示器而言，OLEDoS 能够满足像素密度超过 3000 像素 / 英寸（PPI）¹⁵ˌ⁸⁷、亮度超过 10000 尼特、对比度达 100000:1 的要求⁸⁸。OLEDoS 具备紧凑的平面结构，可与 VR 头显中的放大透镜（如菲涅尔透镜、平滑折射透镜和基于偏振的折叠光路透镜）集成⁸⁹ˌ⁹⁰。但 OLEDoS 与放大透镜光学系统结合时，会导致视场角（FOV）较窄。采用更大尺寸的显示器是一种可行解决方案，但这需要对透镜系统进行复杂调整。基于折叠光学或自由曲面透镜的优化光学设计已被证实是有效替代方案，它们能缩短显示器与透镜之间的距离，进而提升视场角⁹¹。
制造过程中 CMOS 背板上铝电极的氧化，是 OLEDoS 技术面临的另一关键问题。氧化会改变铝的功函数，导致驱动电压升高、电流注入效率下降，进而损害电致发光性能。这种效应在常用于金属层平坦化的化学机械抛光过程中会进一步加剧。在 100 坎德拉 / 平方米的亮度下，铝电极氧化会使驱动电压从无抛光处理时的 2.5 伏升至 3.5 伏⁹²ˌ⁹³。另一项挑战在于 OLED 接触材料与 CMOS 的兼容性。常见的 CMOS 接触材料（如铝、银、镍、金）在 OLEDoS 结构中用作阳极，但它们较低的功函数会阻碍空穴高效注入空穴传输层。为解决这一问题，氮化钛已被用作 OLEDoS 器件的阳极材料：在相同电压下，与使用铝电极的器件相比，亮度提升超过 60%，效率得到改善且功耗降低⁹²。
图 5：硅基发光二极管（LEDoS）
a 硅基发光二极管（LEDoS）实现全彩微显示器的方案有两种：一是采用独立的红、绿、蓝（RGB）微 LED；二是采用蓝光微 LED 搭配红色或绿色量子点转换层。
b 适用于蓝、绿、红三色微 LED 的多量子阱（MQW）结构。
c 在 LEDoS 上集成微透镜阵列，可减小微 LED 的宽发射角分布。
d 微反射器同样能解决宽发射角分布问题，同时抑制子像素间的光学串扰。
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硅基发光二极管（LEDoS）
LEDoS 是一种新兴的自发光显示技术，具备高亮度（超过 100 万尼特）、高功率效率、长寿命的特点，且有望实现亚微米级像素尺寸。LEDoS 在 CMOS 背板电路上采用基于无机半导体的红 - 绿 - 蓝（RGB）微 LED，或搭配量子点转换层的蓝光微 LED，以实现全彩微显示（图 5a）。发光波长由有源发光层的带隙决定，这类发光层通常集成多量子阱（MQW）结构以提升复合速率，进而改善亮度和效率⁹⁴⁻⁹⁶（图 5b）：蓝绿光 LED 采用氮化铟镓（InₓGa₁₋ₓN）材料，发射波长为 365-550 纳米；红光 LED 采用铝镓铟磷（(AlₓGa₁₋ₓ)₁₋ᵧInᵧP）和高铟含量的氮化铟镓（InₓGa₁₋ₓN）材料，发射波长约为 650 纳米⁹⁷ˌ⁹⁸。这些多量子阱通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石或硅基板上生长，能够精准控制材料成分与性能。
作为自发光 LED 技术，微 LED 无需背光单元，可制成更薄、更轻的微显示面板，适用于头戴式和近眼显示设备。与 LCoS 和 OLEDoS 相比，其显著优势之一是环境对比度（ACR）超过 25:1，这使 LEDoS 非常适合 AR 应用⁹⁸。微 LED 的寿命也远长于 OLEDoS，且开关速度可达纳秒级，而 OLED 和 LCD 的开关速度分别为微秒级和毫秒级⁹⁸ˌ⁹⁹。与 OLED 技术不同，微 LED 可承受超过 10 安 / 厘米的高电流密度而无明显降解，因此能实现极高亮度⁹⁸ˌ¹⁰⁰ˌ¹⁰¹。OLED 的像素尺寸受限于精细金属掩模技术，而 LEDoS 的制造依赖成熟的光刻技术，可实现超过 5000 像素 / 英寸（PPI）的高像素密度，子像素尺寸小于 2 微米 ¹⁰²。
然而，微 LED 尺寸的减小（尤其是小于 5 微米时）会导致外量子效率下降，影响微显示器的亮度。这种下降主要源于非辐射复合的增加（由更高的侧壁面积比引发，即 “侧壁效应”¹⁰⁰），通过集成原子层沉积的氧化铪 - 氧化铝 - 氧化铪（HfOₓ-AlOₓ-HfOₓ）或溶胶 - 凝胶基二氧化硅（SiO₂）钝化层，可最大限度减轻这一问题 ¹⁰³ˌ¹⁰⁴。小尺寸下，由于微 LED 固有的朗伯发射特性，相邻 RGB 像素间的色串扰会变得显著。这一问题在 AR 波导光学系统中尤为关键：为实现高效耦合进入波导，光线的发散角需控制在 30° 左右 ¹⁰⁵ˌ¹⁰⁶。此外，高折射率半导体材料与周围空气的折射率不匹配，也限制了光提取效率 ¹⁰⁷。
为同时解决发射角分布和光提取效率两大挑战，可集成聚合物透镜或薄型菲涅尔透镜等微透镜（图 5c）。这些透镜有助于减小微 LED 的宽发射角分布，同时提升亮度 ¹⁰⁷ˌ¹¹⁰ˌ¹¹¹。另一种方案是将涂有反射金属层的梯形微反射器与微 LED 集成，以收窄发射角并最大限度抑制子像素间的光学串扰 ¹¹²（图 5d）。共振腔 LED 结构 —— 将多量子阱夹在分布式布拉格反射器或金属反射器之间 —— 是进一步减小光束发散、提升微 LED 显示器图像质量和亮度的潜在方案 ¹¹³。
LEDoS 的两种全彩实现方案（图 5a）中，一种是蓝光或深紫外（UVC）微 LED 搭配量子点颜色转换层 ¹¹⁴，另一种是独立 RGB 微 LED。量子点方案的优势在于发射光谱窄，且可通过尺寸调控实现特定波长发光，能够精准调节 RGB 组件的颜色。此外，基于氮化铟镓多量子阱的微 LED 亮度增加时会出现蓝移，而红色和绿色量子点即使在高亮度下也能保持颜色稳定。足够厚度的量子点转换层对于提升颜色转换效率、减少蓝光泄漏至关重要。量子点层通常采用光刻或喷墨打印技术制备，可确保在深紫外或蓝光微 LED 顶部精准沉积 ¹¹⁴⁻¹¹⁹。但传统量子点图形化方法常导致均匀性差、像素密度低以及量子点转换层降解（尤其是暴露于溶剂后），沉积过程中量子点的 “溢出” 还会引发光学串扰 ¹²⁰ˌ¹²¹。
硅基发光二极管（LEDoS）微显示器的制造
要实现基于独立红 - 绿 - 蓝（RGB）像素的全彩 LEDoS 显示器，需将微 LED 像素精准键合或转移到 CMOS 背板上，以实现单个像素的独立驱动。目前已探索多种集成方法，包括 “拾取 - 放置”、倒装键合、晶圆对晶圆或芯片对晶圆的直接单片集成以及流体自组装 ¹²²⁻¹²⁶。
拾取 - 放置法
传统拾取 - 放置工艺在平板显示器制造中已十分成熟，但对于像素密度超过 2000 像素 / 英寸（PPI）的微显示器而言已不再适用⁹⁹ˌ¹²⁷。以亚微米级精度精准转移微 LED 极具挑战性，且制造良率较低 ¹²⁸⁻¹³⁰。静电转移、弹性体转移和磁压印等转移方法已被证实可行 ¹²⁷，尽管良率可高达 99.99%，但微显示器通常包含超过 2500 万个子像素，仍会产生大量缺陷微 LED。这就需要设置冗余微 LED 来补偿缺陷像素，进而增加了制造成本和复杂度。
倒装键合
倒装键合是异质集成中另一种被广泛研究和应用的制造工艺。制造 LEDoS 时，预制微 LED 通过金属焊盘阵列（通常为铟 “凸点” 或铜焊盘），采用热压键合方法与 CMOS 背板键合，确保电气连接和机械固定 ¹²⁴ˌ¹³¹。然而，采用铟凸点键合时，像素间距难以缩小至 5 微米以下 ¹⁰ˌ¹²⁴。此外，微 LED 与 CMOS 背板的热膨胀系数不匹配，会导致压合过程中出现对准偏差 ¹⁰—— 这一问题随像素密度增加而愈发严重，键合后冷却过程中产生的应力会加剧偏差。
混合键合技术在微 LED 和 CMOS 晶圆上采用被介质材料包围的铜大马士革焊盘 ¹⁰⁵ˌ¹⁰⁷ˌ¹³²ˌ¹³³。铜焊盘实现电气连接，介质材料提供粘合作用。该方法突破了尺寸限制，已实现像素间距为 3 微米的 LEDoS¹³⁴，但随着像素间距减小，精准对准仍是一大挑战 ¹²⁴。倒装键合和混合键合主要用于量子点集成微显示器，这类显示器通常采用单一外延晶圆。
单片集成
LEDoS 制造中最常用的方法是金属化外延晶圆与 CMOS 背板之间的直接晶圆对晶圆或芯片对晶圆集成 ¹¹²，随后通过传统光刻工艺在晶圆上制备微 LED。这种简化的键合流程使精准对准更易实现，已制造出像素密度 1270 PPI、像素间距 20 微米的单色 LEDoS 微显示器 ¹¹²。
传统直接单片集成仅能生产单色显示器，需添加 X 立方体棱镜才能实现全彩显示。另一种方案是基于氮化铟镓（InGaN）和铝铟镓磷（AlInGaP）超薄外延层垂直堆叠的多色微 LED 显示器，以制备单片 RGB 晶圆 ¹²⁵ˌ¹²⁶；每个微 LED 与背板电路电气连接，可实现独立像素驱动。通过这种垂直堆叠方案，微 LED 的像素密度是横向排列微 LED 的三倍，因为堆叠结构中单个像素可发射 RGB 三色光，将三个独立横向像素的功能整合为一个 ¹³⁵ˌ¹³⁶。此外，传统自上而下的制造工艺可制备更小尺寸的微 LED¹³⁵。借助这些优势，垂直堆叠方案已实现像素密度超过 5000 PPI 的全色域微 LED 显示器。
RGB 微 LED 的堆叠可通过刻蚀去除基板，或采用远程外延与基于二维材料的层转移工艺实现。利用远程外延技术，可将自支撑 LED 薄膜从基板上机械剥离并堆叠到硅基背板上，使晶圆可重复用于生长 LED 外延层，从而降低生产成本 ¹³⁶。
流体自组装法
该技术利用液体流动将微 LED 定位并对准到基板上，通过搅拌或沉降产生流体动力和表面相互作用⁹⁹ˌ¹²⁸ˌ¹³⁷⁻¹⁴⁰。近期有研究展示，利用可控范德华力可将微 LED 以 100% 的对准精度转移到硅基 CMOS 晶圆上，转移良率达 99.992%¹¹²。此外，已有研究利用磁力和介电泳力控制单个红 - 绿 - 蓝（RGB）微 LED 的运动，将其组装到形状匹配的接收位点上，验证了该转移工艺的可行性 ¹⁴⁰。尽管流体自组装法适用于尺寸约 50 微米的微 LED，但对于小于 5 微米的微 LED，精准放置仍是一大挑战 —— 这需要仔细校准表面张力与微 LED 重量之间的力平衡。
由于量产中难以高良率地将 RGB 像素集成到 CMOS 背板上，LEDoS 尚未实现广泛商业化。尽管如此，随着制造工艺和设计的持续进步，LEDoS 有望成为下一代增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示技术。
微显示器的性能表征
微显示器的精准性能表征至关重要，这能确保核心性能指标满足增强现实（AR）和虚拟现实（VR）系统的严苛要求，从而提供可靠、高质量的视觉效果，实现流畅逼真的交互体验。与传统显示器类似，其核心指标包括亮度、对比度、色准确度和角分辨率；而 AR 和 VR 专属指标则包括视场角（FOV）、出瞳范围和纱窗效应（SDE）。
亮度与色彩
LED 和 OLED 等自发光显示器的像素间本质上存在亮度和色彩差异，导致整个显示屏出现不均匀性。这种差异会降低显示质量，因此需要进行精准的像素级亮度测量与校正，这一过程被称为 “匀化校正（demura）”。此外，单个红 - 绿 - 蓝（RGB）子像素在不同灰度级下的亮度曲线存在差异，需通过像素级校正确保所有亮度水平下的色彩呈现均匀一致。同时，还会对照参考色彩标准分析色度值，以校准像素的色准确度。
传统上，亮度测量采用点式亮度计或 CMOS 成像亮度计。点式亮度计通过聚焦单个像素，测量显示器特定点位的亮度。成像亮度计通过检测整个显示屏的亮度，捕捉二维亮度分布。但由于探测器像素的分辨率限制，这两种工具均难以测量像素尺寸仅为数微米的微显示器，因此必须使用具备足够放大倍数的高分辨率成像系统 ¹⁴¹⁻¹⁴³。这类系统整合了高倍透镜（通过最小化球差、层级折射率分布和集成专用校正透镜来抑制光学像差 ¹⁴⁴ˌ¹⁴⁵）和基于 1 微米像素间距电荷耦合器件（CCD）传感器的高分辨率相机，以实现精细化分析。配备 10 倍放大透镜的系统，可无畸变地测量像素密度超过 5000 像素 / 英寸（PPI）的微显示面板 ¹⁴¹。但高分辨率系统中过度放大可能会引入光学像差。
先进的软件校准技术也可发挥作用。分数像素法 ¹⁴⁶ˌ¹⁴⁷不受探测器像素分辨率限制，能实现高像素密度显示器的精准亮度测量。在 “配准” 过程中，会在每个显示像素或子像素周围设置圆形感兴趣区域（ROI）（图 6a）。记录不同入射光强度下每个感兴趣区域的平均亮度，生成全灰度级下整个显示器的亮度分布图。传统配准方法将超过 50% 面积位于感兴趣区域内的像素视为完整贡献亮度的像素，而面积占比不足 50% 的像素则被视为不贡献亮度。相比之下，分数像素法根据像素在感兴趣区域内的实际占空比进行加权计算，从而提高测量精度。与传统全像素法高达 10% 的误差相比，该方法可将平均误差降至 2% 以下。
纱窗效应（SDE）
高分辨率成像系统还可通过分析相邻像素的亮度变化，测量像素边界可见度并评估纱窗效应。在显微镜下拍摄显示屏上的白色图像以获取空间域图像，随后通过二维傅里叶变换将其转换至空频域 ¹⁴⁸。纱窗效应越明显，高频率成分越突出，因此纱窗效应指数定义为高次空间频率与零级空间频率的强度比：当该指数接近 1 时，纱窗效应在视觉上几乎不可察觉。
图 6：微显示器像素及显示面板的表征方法
a 亮度测量时，需在微显示器上定义感兴趣区域（ROI）。全像素法计入所有面积占比超过 50% 位于该区域内的像素亮度；分数像素法则通过软件对像素贡献进行加权计算，权重基于像素在感兴趣区域内的实际占空比，以提升测量精度。
b 评估环境对比度的两种方法 —— 积分球法和开盒法，均通过对比环境照明下显示屏显示白色和黑色时的状态实现。
c 通过可视化光线边界及重叠区域，可确定视场角和出瞳范围。
d 基于傅里叶光学的系统搭配电荷耦合器件（CCD）阵列，能同时捕捉角亮度、对比度和色彩信息。
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图 7：带组合器的微显示器
a “鸟浴式” 光学组合器通过分光镜将虚拟图像与真实世界视图融合。
b 衍射波导利用光栅将光线导入用户眼中（底图为横截面示意图）。
c 几何波导采用半透半反镜引导并合并光路。
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对比度
环境对比度（ACR）的测量主要有两种技术：积分球法和开盒法 ¹⁴⁹（图 6b）。积分球法将显示器置于大型球体内，测量显示屏显示白色和黑色时的亮度；在存在环境漫射照明的情况下，通过对比这两种状态可精确计算环境对比度。开盒法的装置更简单，在白色壁盒内将光源置于显示器后方，仅向探测器和屏幕提供漫射照明；亮度计以与屏幕成 8-10° 的角度测量微显示器的亮度，进而提取环境对比度。尽管开盒法更易实施，但可靠性较低。
显示设备发出的光线可能会被光学测量系统中的透镜反射或散射，随后重新进入 CCD，这一现象称为杂散光。它会阻碍对比度的精准测量 ¹⁵⁰，且传统表征工具无法预防或校正该问题。此外，探测器透镜的小光圈无法捕捉到微显示器暗区的足够光线，导致对比度被高估；而大光圈则会引入环境光或杂散光，导致对比度被低估。为解决杂散光问题，已开发出充液透镜系统 ¹⁵⁰。玻璃 - 液体界面的反射率低于 1%，远低于空气 - 玻璃界面。反射率的降低最大限度减少了光学测量系统内部反射造成的光散射，从而减少杂散光，提高对比度测量精度。通过将镜筒采用黑色缩醛塑料并优化光圈位置，可进一步提升效果。
视场角（FOV）
宽视场角与高角分辨率对于提升沉浸感、用户舒适度和整体体验至关重要 ¹⁵¹。为同时测量视场角和出瞳范围，需在设备前方放置扩散屏，以可视化光线边界并观察亮度分布（图 6c）。计算这些光线路径的最小和最大角度并转换为角度值，即可确定视场角。同时，通过识别扩散屏上光线重叠的明亮区域，可测量出瞳范围。
视角
还需表征不同视角下的色度和亮度。传统视角测量采用机械旋转 CCD 传感器，但难以将 CCD 与显示器的微米级像素精准对准。基于傅里叶光学的系统与 CCD 相结合，可通过单次拍摄捕捉视角信息，提高测量效率，并实现亮度、对比度和色坐标的精准测量 ¹⁵²（图 6d）。
动态伪轮廓（DFC）
动态伪轮廓是屏幕上运动图像产生的虚假视觉感知 ¹⁵³。这是由于通过脉冲宽度调制向每个像素提供不同亮度水平时，光脉冲在时间上重叠导致的 ¹⁴⁴。当人眼追踪运动时，重叠的脉冲会产生伪影，表现为亮条纹或暗条纹。由于 AR 和 VR 应用具有高像素密度、小像素尺寸且贴近人眼的特点，动态伪轮廓问题更为突出 ¹⁴⁵，必须加以解决以维持视觉质量和流畅性能。为精准表征动态伪轮廓，通常采用恰可察觉失真积分法（JNDIM）¹⁵³。该方法评估灰度级过渡过程中的亮度变化，并将其与恰可察觉失真（人眼可检测到的亮度变化阈值）进行对比 ¹⁵⁴。通过量化超过人眼视觉灵敏度阈值的失真，恰可察觉失真积分法提供了识别和减轻动态伪轮廓的精准框架，确保微显示器的最佳性能和视觉保真度。
自动化光学检测（AOI）
自动化光学检测系统整合高分辨率相机（如低噪声成像光度计）与图像处理算法，通过模式匹配和色彩分析，识别像素或子像素级的外观缺陷 ¹⁵⁵ˌ¹⁵⁶。近年来，自动化光学检测软件算法取得进展，利用深度学习进行缺陷检测，提高了对划痕、变色和辉斑（mura）等各类缺陷的分类精度 ¹⁵⁷ˌ¹⁵⁸。搭载机械臂的三维自动化光学检测系统，在检测小型复杂结构时能实现更高的准确度。
与光学器件及光学组合器的集成
传统虚拟现实（VR）光学系统采用厚重的折射透镜，阻碍了头显设备的小型化。因此，商用系统已广泛采用折反射透镜（即 “折叠光路透镜”），该透镜通过利用偏振状态折叠光路来减小设备体积 ¹⁵⁹。由于集成了半反射镜，典型折叠光路透镜的效率仅约 25%¹⁶⁰，但近期研究通过集成胆甾相液晶元件 ¹⁶¹、配对反射偏振片与波片 ¹⁶² 或非互易偏振旋转器 ¹⁵⁹，已提升了其效率。此外，有研究提出通过定向背光优化每个像素的角发射分布 ¹⁶⁰，以增强 VR 光学器件与微显示器的兼容性。该方案能改善向出瞳范围的光线传输，提高整体效率，助力研发节能型 VR 显示器。
在增强现实（AR）显示器中，光学组合器负责将微显示器的像素信息传递至人眼，并将虚拟图像与真实场景融合 ¹⁰ˌ¹⁶³ˌ¹⁶⁴。光学组合器分为三类：自由空间型（含鸟浴式）、自由曲面型和波导型。自由空间型和自由曲面型组合器通过折射（或反射）微显示器发出的光线，直接将虚拟图像传递至人眼，无需瞳孔复制，同时引导光束在扩大的出瞳范围内形成无渐晕图像（图 7a）。这类组合器广泛应用于谷歌眼镜 ¹⁶⁴、XREAL¹⁶⁵等商用产品，因其可兼容 LCoS、OLEDoS 和 LEDoS 等多种微显示器。尽管近期的自由曲面型和自由空间型组合器已实现 50-60° 的视场角（FOV），厚度控制在 10-20 毫米 ¹⁶⁶⁻¹⁶⁸，但与波导型组合器相比，整体体积仍较庞大。此外，由于无法实现出瞳扩展（EPE）—— 一种通过创建多个虚拟出瞳来扩大用户眼睛能看到完整图像的区域的技术，它们的视场角和出瞳范围受限于光学元件尺寸 ¹⁶³。因此，尽管自由空间型和自由曲面型光学方案具备制造工艺简单、兼容多种微显示器的优势，但在体积与视场角、出瞳范围等光学参数之间的权衡，限制了紧凑型、轻量化头显的发展。
波导型组合器是平面光学元件，通过薄基板内的全内反射引导像素发出的光线，其体积类似一副眼镜，已成为 AR 头显的研究热点 ¹⁶³ˌ¹⁶⁹。波导型组合器通过反复从全内反射中提取光线实现出瞳扩展，从而扩大出瞳范围，并根据耦合机制分为衍射型和几何型两类。
衍射型波导采用表面浮雕光栅或体光栅（如光聚合物和偏振体光栅 ¹⁰ˌ¹⁶³ˌ¹⁶⁴）作为耦合器，这类耦合器厚度仅数十微米，可实现光线调制（图 7b）。但它们的性能会随入射光的波长和角度变化 ¹²⁶，导致光分布不均匀和色散问题。近期研究表明，多层偏振体光栅中的偏振转换可使耦合效率提升近一倍 ¹⁷⁰，但尽管有这一显著进步，仍需进一步优化制造方法才能实现广泛商业化应用。几何型波导采用消色差耦合器防止色散，实现高保真图像显示（图 7c）。然而，由于对制造精度要求极高 ¹⁶³、需多层镀膜 ¹⁴且要键合多个基板 ¹⁷¹，其制造步骤复杂、良率较低，应用受到限制。无论是衍射型还是几何型波导组合器，均存在光效率低的问题 —— 典型微显示器发出的宽带朗伯光无法完全耦合进入波导 ¹⁴ˌ¹⁷²，而出瞳扩展会进一步降低光效率。因此，商用产品已采用集成高亮度微显示器的波导（例如微软、Magic Leap 和 Lumus 使用的 LCoS 显示器 ¹⁶⁴），以抵消这种低光效率的影响。
表 2：适配硅基有机发光二极管（OLEDoS）与硅基微发光二极管（LEDoS）显示器的增强现实（AR）组合器特性
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图 8：增强现实与虚拟现实应用的微显示器对比
三种光引擎技术 —— 硅基液晶（LCoS）、硅基有机发光二极管（OLEDoS）和硅基微发光二极管（LEDoS）—— 各具相对优势（如图所示）⁸ˌ¹⁷ˌ⁴⁰ˌ¹⁰⁰。尽管 LEDoS 在多数性能类别中表现出色，但目前的劣势在于量产难度较大。AR：增强现实；VR：虚拟现实。
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与 OLEDoS 显示器相比，最新的 LEDoS 显示器具有光谱窄、亮度高的特点⁸ˌ¹⁰⁰ˌ¹⁷³，研究人员正探索将其与波导结合 ¹⁷⁴⁻¹⁷⁶，以实现紧凑型、轻量化、高亮度的 AR 设备。即使采用二维出瞳扩展波导，LEDoS 显示器也已实现轻薄结构，且 AR 显示亮度超过 1000 尼特 ¹⁷⁶。但由于 AR 头显在日光下使用需更高亮度，进一步提升组合器的整体光效率至关重要。一种潜在解决方案是设计组合器与微显示器的光谱和角度特性，使其相互匹配：可优化衍射耦合器的光栅图案及其材料特性，以覆盖微显示器的整个光谱 ¹⁷⁷。此外，由于组合器仅利用有限的光锥（例如发射角在 ±30° 以内 ¹⁷⁸），通过像素级微光学器件收窄微显示器的发射角，可提升 AR 显示器的光学性能 ¹⁷²ˌ¹⁷⁸。表 2 总结了不同波导技术与微显示器组合的特性 ¹⁶⁶ˌ¹⁶⁸ˌ¹⁷⁴⁻¹⁷⁷ˌ¹⁷⁹ˌ¹⁸⁰。
结论
本文探讨了 LCoS、OLEDoS 和 LEDoS 三种光引擎技术，以及它们在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示器应用中所需的核心性能指标（表 1）。尽管 LCoS 通常被认为效率较低、对比度不高且体积大于 OLEDoS 和 LEDoS，但近期的技术发展已实现更小尺寸的全彩像素，通过高性能 LED 背光提升了端到端光效率，并借助分区照明增强了对比度 ¹⁸¹ˌ¹⁸²。LCoS 投影光学系统的小型化进展 ¹⁸³ˌ¹⁸⁴以及激光背光的集成，进一步巩固了其作为 AR 和 VR 应用中具有竞争力平台的潜力。
OLEDoS 本质上具备高对比度和出色的色准确度，且系统体积小巧。尽管搭配滤色片的白色 OLEDoS 亮度受限，但可通过采用叠层结构、微透镜阵列等先进结构，或使用无滤色片的 RGB OLED 像素来提升亮度，从而增强 OLEDoS 在 AR 和 VR 应用中的适用性。
LEDoS 拥有高对比度、长寿命和超高亮度等优势。然而，随着微 LED 像素尺寸减小，其表面的非辐射复合会导致外量子效率下降。实现全彩显示需要将独立的 RGB 微 LED 以高良率精准量产转移到单个背板芯片上 —— 这是一项重大的制造挑战。可在蓝光微 LED 上添加量子点层进行颜色转换，但要生成高质量图像，必须提升亮度并减少色串扰。尽管如此，凭借优于 LCoS 和 OLEDoS 的性能，LEDoS 仍是极具前景的下一代显示技术。
如图 8 所示，对于 VR 头显，LCoS 和 OLEDoS 因技术相对成熟而更受青睐。LCoS 技术有望实现比自发光显示器更高的像素密度，但在封闭的 VR 环境中，其相对较低的对比度相较于 OLEDoS 会影响沉浸感。尽管由于吞吐量低、良率有限和生产成本高等制造挑战，LEDoS 尚未广泛应用于 VR 头显，但凭借优于 LCoS 和 OLEDoS 的性能，它仍被视为极具潜力的下一代显示器。在 AR 应用中，尽管光学系统体积较大，LCoS 仍被用于 AR 眼镜，以较低成本实现了高像素密度、高环境对比度（ACR）和高亮度。LEDoS 凭借极高的亮度和高环境对比度（>25:1），在户外 AR 显示器领域具有巨大潜力。尽管 OLEDoS 在成本效益方面具有优势，但在满足所需的环境对比度和长工作寿命方面仍面临挑战。
微显示器的整体动态性能由背板电路决定，该电路需实现精准的像素控制和高速切换。CMOS 背板可采用多种驱动方式，为减少运动模糊，需结合材料响应时间、刷新率和占空比采取综合优化方案 ¹⁸⁵。光学组件则需将微显示器渲染的图像传递至人眼：VR 显示器中的折叠光路透镜和 AR 显示器中的波导组合器均有助于实现紧凑体积，但提升光效率仍是亟待解决的挑战。对于所有类型的微显示器，均需定制其角发射分布和光谱发射分布，以匹配光学系统的特性。
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