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LCD/LCoS/LBS/LEDoS/OLEDoS大亂鬥,近眼顯示技術誰執牛耳?

2024-11-15 17: 15

蘋果公司在2024年上半年推出的 Apple Vision Pro 和Meta公司在下半年公開的AR眼鏡原型Orion,都極大地提升了公衆對近眼顯示技術及應用的認知,推動整個行業跨入了元宇宙近眼顯示的關鍵發展階段。各大廠商無論是在光學方案的優化,還是在微顯示技術的突破都推動着近眼顯示設備朝向生產力工具化的趨勢發展。

同時,作爲技術轉型戰略的一部分,近眼顯示領域的資本投入與企業聯合正在如火如荼地進行。這種資本和技術的結合,不僅加速了產品的迭代,也促進了行業的創新和競爭。

此外,AI技術爲近眼顯示設備帶來了新的賦能,隨着行業的不斷髮展,新的生態也正在形成。整個產業鏈都在積極地探索和拓展新的商業模式和應用場景,這爲近眼顯示設備的發展提供了強大的動力,也預示着近眼顯示產業未來可期。在2024 TrendForce集邦諮詢自發光顯示產業研討會上, 趨勢力量 集邦諮詢分析師萬雯帶來了近眼顯示市場發展與技術分析,讓衆多行業人士瞭解到近眼顯示行業發展現狀與未來趨勢。

AR/VR/MR,近眼顯示設備誰唱主角?
近眼顯示產業的發展源頭可追溯至1838年物理學家查爾斯提出的立體視覺。而在1963年,Ivan Sutherland開發了第一個計算機圖形驅動的頭盔顯示器( HMD )及頭部位置跟蹤系統,成爲VR技術發展史上的一個重要里程碑。

在1984年 虛擬現實 被正式命名後,同時隨着計算機技術的進步,VR頭顯設備和相關應用逐漸開始普及。現代VR技術不僅提供了視覺、聽覺的沉浸式體驗,還通過觸覺、嗅覺等多種感官模擬,使用戶彷彿置身於虛擬世界中。現代VR技術廣泛應用於遊戲、教育、醫療、娛樂等領域,並在元宇宙的推動下迎來了發展高潮。

AR 設備的發展史相對於VR更短,在谷歌2012年發佈首款AR眼鏡Google Glasses後,AR設備才算真正開始發展。儘管市場期望和投資熱度較高,但受形態、顯示效果、生態應用等因素制約,AR眼鏡整體發展不及預期,2016-2019年AR進入低谷期。隨着2019年開始Rokid、雷鳥、 Xreal 、Magic Leap等廠商陸續推出新品,硬件生態持續完善,AR行業步入上行週期。

VR通過在人眼和微顯示屏之間引入光學透鏡,比如 菲涅爾透鏡 、Pancake等光學器件,利用光的折射將顯示圖像放大的同時,將虛擬圖像引入人眼,實現完全沉浸式體驗。而AR需要看到真實的世界,是通過棱鏡、自由曲面、 光波導 等光學元件,對微型顯示器發出的光進行反射、折射或衍射,最終將其投射到人眼,將虛擬圖像和真實世界聯繫起來,互相加強。

MR 概念的形成時間晚於VR、AR,目前業界對於MR的定義大致可以分成兩派,一派將MR定義爲AR+VR,另一派則強調虛實交互能力,更強調前瞻技術的賦能。

近眼顯示技術應用場景著眼於將虛擬與現實世界無縫融合,提高交互感、沉浸感、遠程參與共同協作等體驗,無論是在醫療、教育還是工業領域都有較大的應用潛力。雖然目前在XR技術方面還存在一些挑戰和限制,但其應用前景仍然是光明的。

無論是VR/MR產品應用場景豐富化還是AR產品市場產業生態的提升與資本的投入都將會轉化爲近眼顯示設備市場規模擴張的推動力,因此TrendForce 集邦諮詢 預計2030年近眼顯示設備整體出貨量或達6280萬臺。

短期來看,VR/MR產品的市場與供應鏈情況相較於AR產品都更爲成熟,但長期來說AI與技術發展的助力都會使AR產品的使用場景豐富度優勢凸顯,從而拉近二者的市場份額佔比,TrendForce 集邦諮詢 預估2030年AR近眼顯示設備總出貨量的佔比爲41%。

LCD/LCoS/LBS/LEDoS/OLEDoS大亂鬥,近眼顯示主流技術優劣如何?
近眼顯示本質上是通過置於人眼非明視距離內的顯示設備,向人眼渲染出光場信息,進而在眼前重建虛擬場景。不難看出,近眼顯示設備包含兩個重要元素,其一個是微顯示器件,其二就是光學器件。

在光學器件方面,包括Vision Pro在內的VR設備正在往輕薄化、微縮化方向發展,這也和光學顯示技術演變趨勢一致。從利用透鏡減薄演進到縮短光路造就Pancake技術路線,雖然也帶來了“鬼影”和光效的折損問題但Pancake通過額外兩次的反射面拉長光路,能在兼顧視場角(FOV)的條件下降低40%的厚度,是追求厚度與FOV設計最佳化的理想方案,已成爲VR/MR產品的新光學技術趨勢。

AR的光學架構相對更復雜一些,目前市面上產品多采用Birdbath以及光波導方案。AR眼鏡想要在消費級市場大規模起量,在重量方面不能和普通眼鏡相差太大,而光波導可以放在眼鏡的側面去把顯示內容投射到人眼中,具有高透明度的同時又可以實現輕薄化,能夠更好地滿足用戶佩戴的體驗感,因而光波導被視爲AR光學技術的未來。

微顯示器爲近眼顯示設備提供顯示內容,其生成的圖像作爲光學系統圖像的來源,同時微顯示器是影響XR眼鏡尺寸、功耗與亮度、對比度、分辨率等性能的關鍵組件。在微顯示技術方面,LCD/LCoS/LBS/LEDoS/OLEDoS同臺競技,各有千秋。

性價比方面的優勢使得 液晶顯示屏 技術應用始終佔據市場主導地位,但近眼顯示設備正在追求更高清顯示效果,LCD產品僅有1200PPI的顯示效果對比其他技術不具備競爭優勢。但通過改良液晶材料能夠降低眩暈感,通過升級背板技術能夠將分辨率提升至1500PPI,通過選擇合適的背光源有機會大幅提升光利用率並抑制VR/MR設備中的“鬼影”問題,這些都表明LCD技術未來仍有一定的優化空間。

LCoS 技術的優點包括高分辨率、高對比度、高填充率和良好的電子移動率。由於 LCOS 面板上像素尺寸極小,LCOS 光機能夠提供非常高的分辨率,這在顯示高清圖像時尤爲重要。同時,LCOS 技術的反射型結構使其能夠實現高對比度的顯示效果,特別是在暗場景下的表現更爲突出。

但LCoS技術的製造工藝要求較高,良品率難以把控,這增加了生產成本和難度。此外,LCoS技術的液晶分子轉換速度相對較慢,雖然分辨率高且色彩豔麗,但拖影和模糊更容易出現,整體的觀看效果無法達到很好。儘管如此,隨着技術的進步和成本的降低,LCoS技術正在逐步改善這些問題。

DLP 技術可以搭配多種光波導方案,成熟度較高,顯示效果較好,由於DLP採用反射式投影技術,光能利用率高,能夠提供高亮度和高對比度的圖像。但DLP光機體積較大,出於體積和成本考慮,DLP光機多采用DMD芯片設計,色彩不夠鮮豔,還原度不如LCD光機。同時,DLP相關產品目前只能由TI獨家供貨,有專利壁壘,面臨供應卡脖子風險和成本問題。

LBS 採用MEMS振鏡精確控制激光掃描路徑,僅消耗在實際顯示像素上需要的能量;同時,LBS無需額外背光源即可成像,可顯著減少功耗。但LBS採用的是激光光源,很難避免激光光斑的問題,還可能產生邊緣的畫面畸變或者顯示分辨率不高等問題。
LEDoS 技術使用LED光源,具有高亮度特性,能夠抵抗環境光的干擾,適合在戶外或光線較強的環境中使用。同時,LEDoS技術通過將LED沉積在硅基板上,可以顯著減小光機的體積,適合AR設備對體積的要求。其次,LED光源的功耗較低,適合長時間使用的AR設備。因此,LEDoS被視爲AR設備的未來技術。

但LEDoS技術目前仍然面臨微縮化LED發光效率改善以及如何在極致的空間利用下做到全綵化的難題,LED微縮後除了自身的EQE挑戰外,亦面臨發光效率和光學串擾的挑戰,除了像素間須設計特殊材料擋光/吸光外,LED還須外加側邊反射鏡(Side Mirror)與微透鏡(Micro Lens),這些都提升製程複雜度,對成本與良率控制構成挑戰。

OLEDoS 採用CMOS工藝製備,利用頂發射OLED可以獲得更高的發光效率,並將OLEDoS產品分辨率的基礎規格提升到3000以上。傳統OLEDoS採用白光OLED+C/F的結構,C/F一般製作在另一塊玻璃上,再往高PPI走時,大角度的出光可能會造成cross talk,進而限制高PPI OLEDoS的發展。而將低溫C/F直接做在OLED主動層的封裝上,可以有效減少串擾並提升PPI,SONY將此技術稱之爲OCCF,並基於此技術實現了4032PPI的OLEDoS微顯示產品,LGD和BOE也相繼推出了>4000PPI的產品。

從VR產品來看,LCD技術性價比更高,目前仍佔主流地位,而OLEDoS技術在Sony與Apple合作下確立了在高端VR市場的地位,疊加國內外廠商在OLEDoS領域的投資和佈局不斷加速,未來將有更多搭載OLEDoS技術的VR產品推出。 


Apple Vision Pro,圖片來源:Apple

儘管LCD技術在短期受到OLEDoS技術產品的衝擊,但長期來看採用LCD技術的VR產品在中低端市場仍具備強勁的競爭力。 TrendForce集邦諮詢預估2030年採用LCD技術和OLEDoS技術的VR/MR設備出貨量將分別達到2360萬臺和870萬臺。

從AR產品來看,AR目前市場較爲主流的仍是自由曲面或Birdbath搭配硅基OLED的技術路線,OLEDoS技術在分辨率發展迅速,但平衡亮度與色彩顯示上仍有一定侷限性,且考慮到未來AR設備的光機體積與功耗需求,光波導搭配LEDoS技術或成爲未來發展趨勢。
目前全綵LEDoS技術發展仍不成熟,短期的市場滲透率較低,但該技術在AR應用場景的顯示優勢使其獲得品牌廠商的支持,此外企業之間例如Porotech與鴻海的合作也可擴大AR裝置的使用場景,這也是市場份額提升的主要手段,TrendForce 集邦諮詢 預估2030年採用OLEDoS和LEDoS技術的AR設備出貨量分別可達638萬臺和1122萬臺。

 

TrendForce 2024 近眼顯示市場趨勢與技術分析
出刊日期: 2024年07月31日
語系: 中文 / 英文
格式: PDF
頁數:139

 

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