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    科技魔方

    索尼8K VR頭顯原型背后Micro-OLED顯示技術的研發、挑戰與探索

    AR/VR

    2022年01月19日

      索尼的Micro-OLED顯示器是一種非常小的高分辨率顯示器,并且具有高對比度、寬色域和快速響應時間。它已經用于相機的電子取景器等設備,并收獲了廣泛的好評。未來,這家公司預計相關用例將能擴展到虛擬現實和增強現實設備。

      在日前舉行的索尼科技日活動中,索尼展示了一款搭載4K Micro-OLED顯示屏的VR頭顯原型。同時,索尼研究人員高木昭綱和木村圭撰文介紹了團隊在這方面的研究,下面是映維網的具體整理:

      1. 像素尺寸為微米級的Micro-OLED顯示器

      智能手機OLED與Micro-OLED顯示器的比較

      OLED顯示器是自發光顯示器,具有出色的視頻響應時間和鮮明的色彩表現。它們廣泛應用于電視、顯示器和智能手機。

      索尼利用專有的OLED技術和硅半導體驅動技術,成功地將通常為幾十到幾百微米(μm)的像素尺寸縮小到幾微米。所以,既保留OLED優勢又創造1平方英寸的高分辨率面板成為了可能。這就是所謂的Micro-OLED顯示技術(索尼將Micro-OLED顯示器定義為通過位于硅襯底的CMOS電路驅動尺寸約為10μm或更小像素的顯示器)。

      與LCD和LED等顯示技術相比,Micro-OLED顯示器以其高圖像質量和分辨率、小尺寸和快速響應時間占據了獨特的地位。特別是,它們用于DSLR相機電子取景器和頭顯等設備時的評價很高。索尼目前正在進行相關的研發,并預計需求將隨著AR眼鏡和VR頭顯等可穿戴顯示器的普及而增加。

      2. 始于相機電子取景器

      索尼于2009年開始研發為后來Micro-OLED奠定基礎的顯示技術。當時,可換鏡頭相機正在蓬勃發展,而液晶微型顯示器的性能與光學取景器相比不足的事實正在成為一個問題。

      與液晶微型顯示器相比,Micro-OLED顯示器的主要區別在于它是自發光顯示器。所以,它們的對比度非常鮮明,并且它們能夠正確地再現黑色色調,而這正是液晶需要面臨的問題。另外,在相機晃動時,液晶微型顯示器有時會出現色散現象,而由于響應時間快,這在OLED顯示器中不會出現,運動模糊很難發生。

      第一款Micro-OLED顯示器最初在2011年實現,并在隨后廣泛用于相機取景器。這是它們目前的主要用例。

      3. 實現小型化和高分辨率的工程原理

      為了實現高圖像質量,索尼正在使用包含彩色濾光片(CF)的Top-Emitting White OLED作為Micro-OLED顯示器的組件。向上發光白色OLED的發光結構和所使用的技術如上圖所示。

      Micro-OLED顯示器中使用的硅襯底不傳輸可見光,所以通過Top-Emitting方法從CF玻璃襯底側提取光。OLED顯示器有兩種形成彩色像素的方法:White OLED方法和Shadow-Mask Patterning OLED方法。索尼于2007年發布的Super Top Emission方案采用Shadow-Mask Patterning OLED方法為每個像素形成發光材料薄膜。

      例如,Micro-OLED顯示器的像素比例不到普通OLED顯示器的十分之一,例如低于3μm?,F有的Fine Metal Mask(FMM)很難處理所述問題。所以,索尼使用White OLED方法,從而在整個表面形成相同有機材料的薄膜。

      通過向硅襯底OLED層兩端的電極施加電壓,發光材料發射白光,然后通過不同的CF對每個像素進行分散,并傳輸通過玻璃基板。

      通常,子像素尺寸越小,相鄰像素中混合的光和電流就越多,特性和圖像質量就越可能惡化。索尼通過優化CF結構,控制硅襯底和CF襯底之間的對準,以及優化電極和OLED層之間的材料和層組成來抑制退化。

      為了建立這種方法,索尼利用了一系列的技術資產,例如公司多年來開發的OLED器件設計技術,以及與材料制造商聯合開發的高效長壽命器件。另外,3μm CF RGB處理技術采用了為CCD圖像傳感器開發的技術。

      4. 精確控制微電流的挑戰

      當團隊嘗試開發更高效的高分辨率Micro-OLED顯示器時,其面臨的一個問題是用硅襯底上的晶體管控制電流。

      要令精細間距像素發光,你必須精確控制電流。其中,相關電流是智能手機OLED中的1/1000。電壓控制和電流發射關系如下表所示:

      縱軸顯示電流,橫軸顯示控制電壓。在智能手機OLED的TFTs中,電流控制在由控制電壓和晶體管閾值電壓的平方所定義的區域內,但對于Micro-OLED顯示器,其需要使用常規CMOS邏輯控制由指數函數定義的微電流區域。在所述區域,即使是電壓的微小變化都會導致電流量呈指數級增加或減少。所以,每個像素的亮度變化很大。

      在這種情況下,如何控制電流的絕對值呢?你無法簡單地在反復試驗中改變條件,從而優化用于控制微電流的晶體管的性能。相反,索尼回到了基礎物理,根據物理性質創建了公式,然后進行模擬以支持理論。在保證了理論的有效性后,團隊進行了試產并得到了預期的結果。

      團隊同時利用了索尼多年來開發的像素電路驅動技術資產。盡管TFTs和CMOS電路的要求不同,但索尼尋求硅襯底的最佳像素電路技術,強調特性穩定性。終于,他們在2017年成功建立了所述技術。

      5. 目標是高分辨率、高亮度、快速響應時間和低功耗

      索尼的Micro-OLED顯示器利用了公司先進的技術知識和多年的制造經驗。為了在未來的電子取景器和可穿戴設備顯示器中創建真實感的圖像,需要更高的分辨率、更高的亮度、更快的響應時間和更低的功耗。特別是對于可穿戴設備而言,更高的功耗會造成設備過熱,并成為用戶體驗的障礙。另外,在娛樂行業,更高的刷新率對游戲非常重要。

      6. 利用開放式創新研究來探索新光源

      擴大Micro-OLED顯示器可能性的挑戰正在進行中。它涉及將現有的可見光Micro-OLED顯示技術與人類看不見的近紅外發光材料相結合,從而探索新光源。索尼是世界第一家將近紅外OLED集成到微型顯示器中的公司。

      在這項研究中, Super Top Emission采用了微腔結構設計技術(利用上下電極之間的光共振效應,使外部發射的光產生陡峭而強烈的光譜),以及目前的控制技術是預期用于近紅外光的技術之一。然而,團隊對發射近紅外光的OLED組件缺乏經驗,并且面臨著與低發光效率相關的問題。

      發射的近紅外光的數量不能用坎德拉表示,而是使用術語外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)。這是耦出光子數與注入發光元件的電子數之比。一般來說,通過可見光獲得的EQE最多為30%左右。但當近紅外光譜的波長超過900nm時,它會下降到1%以下。

      為了解決這個問題,索尼決定把目光投向第三方研究。

      團隊與正在研究下一代高性能發光材料的日本九州大學有機光子學和電子學研究中心合作。一開始,EQE一直停留在0.1%以下。然而,通過將索尼的Top-Emission技術與利用九州大學材料技術開發的新材料相融合,實現900nm波段近紅外OLED的實用EQE成為了可能。

      7. 傳感領域的預期用途

      除了用于元宇宙的AR和VR之外,近紅外傳感有望在物聯網和機器人技術的新領域中實現應用。結合索尼傳感器和小型高分辨率光源的三維測量將允許對物體形狀進行更精確和更快速的觀察,并可能帶來傳感技術的快速進步。另外,通過為可見光顯示器添加近紅外光,可以開發具有顯示和傳感功能的設備。

      用亮度計測量了常規Micro-OLED顯示器的特性。對于近紅外光,索尼使用近紅外光電二極管和圖像傳感器捕獲光并對其進行評估。

      對于原型,索尼創建了測試圖案來檢查亮度的均勻性和灰度。盡管數值計算非常重要,但團隊同時有用自己的眼睛在可見光下對其進行檢查。

      一系列的索尼工程師都已經參與到開發Micro-OLED顯示技術,包括半導體器件(如晶體管和布線)的設計和制造工藝、像素電路和輕量元件設計、薄膜形成、CF圖案和玻璃封裝等等。這項范圍廣泛的技術能夠允許各種專家發揮其全部潛力,而索尼通過令人印象深刻的圖像質量來為客戶提供獨特價值的努力依然在繼續。

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    來源:映維網

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