用于 VR 應用的顯示面板有三個階段的技術演變。

 

 

第一階段從 2015 年一直發展至 2018 年。在此期間，幾乎所有的品牌都沒有 VR 應用的經驗，因此只能根據消費類設備的經驗設計與生產 VR 設備。由于 AMOLED 響應速度更快且色彩飽和度更高，大多數品牌傾向于為 VR 設備配備 AMOLED 顯示面板。

 

 

第二階段始于 2019 年。在此階段早期，品牌商意識到價格是增加 VR 硬件受歡迎程度的最重要因素：只有低價才能吸引消費者嘗試新事物。為了迅速降低 VR 硬件價格，品牌商決定降低顯示面板成本。

 

與此同時，品牌商發現 AMOLED 受到像素排列的限制很難進一步提高像素密度，即每英寸面積的像素 (PPI) 數量 ，也很難改善AMOLED的紗窗效應。因此，自 2018 年起，各品牌商逐漸將其顯示面板的選擇從 AMOLED 轉向快速液晶(Fast LCD) 。與 AMOLED 相比，快速液晶(Fast LCD)  可以實現更好的 PPI，并且價格更具優勢，最終在 2018 至 2021 取代 AMOLED 成為主流顯示技術。

 

 

第三階段才剛剛開始。當平臺的活躍用戶增加到一定程度，提升用戶體驗就成為必然結果，包括增強 VR 顯示面板的分辨率、色彩飽和度、響應速度等。自 2022 年起，領先品牌商開始使用帶有 Mini  LED 背光的快速液晶顯示面板，或者使用硅基 OLED (OLEDoS)，來提升顯示性能。Omdia 預測，配有 Mini LED 背光的 Fast LCD 與 硅基OLED都將成為未來幾年 VR 應用的主流顯示面板。

 

VR 顯示技術應用趨勢  來源: Omdia

 

 

對于VR顯示器，智能手機上已經相當普遍的TFT LCD和AMOLED均適用于VR設備。不過，也有一些設備廠商采用 “硅基OLED”（OLEDoS, OLED on silicon or micro OLED），OLEDoS有基于半導體CMOS硅的驅動電路，而不是基于TFT線路。因此，OLEDoS有機會在解析度與大小上比AMOLED有更好的規格。VR顯示器設計可以是單顯示器或雙顯示器，這兩種做法都有廠商采用，主要是考量到成本、視野與穿戴時調整的舒適性等因素 。另外，光學透鏡，如菲涅爾透鏡（Fresnel lens），或是折疊鏡頭（pancake lens）被用來更好地聚集顯示光傳送到眼睛。對VR顯示器的要求主要是更高的分辨率，以獲得更高的“每單位角度像素”（PPD, pixels per degree）和更低的“紗窗效應”（screen-door effect）。

 

PPD中的“角度”的是基于顯示器和眼睛之間的夾角或視野（FOV, field of view）。越大的FOV可以提供越好的沉浸感。顯示的無延遲（low persistence）是一項重要的規格，因為大多數VR應用的內容是3D運算渲染出來的電腦圖像。通常VR顯示屏會強調90Hz或是120Hz的刷新率（refresh rate）。然而，在實際設計VR設備時，需要在產品的營銷定位上做一些折衷的考量；更高的顯示規格意味著更高的顯示成本、更高的功耗和更大的外形尺寸。例如，第一代的Oculus采用的是雙屏設計的3.5吋1440x1600 AMOLED，更受歡迎的第二代卻是單屏設計5.5吋3664x1920 LTPS TFT LCD，借此將成本與售價降低與提高市場滲透率。下一代的高階產品可能又回復到雙屏設計。

 

大多數AR顯示器是基于硅線路的微型顯示器（micro display），例如：微機電系統（MEMS）的微型顯示技術，包括數字光處理（diigital mirror device, DMD  or DLP）、激光束掃描（laser beam scanning, LBS） ─ 用于Microsoft HoloLens，以及自發光的硅基LED（LEDoS, LED on silicon or micro LED）。在實際的光學設計中，用戶并不是直接凝視微型顯示器，而是透過附加的光學元件來觀看，這與常見的平面顯示器（例如：TFT LCD與AMOLED）是相當不同的。早期的AR顯示光學設計多半無法兼顧輕薄與顯示面積，例如，Google Glass的專利（US9013793）揭示了利用偏振分光棱鏡（polarization beam splitter, PBS）的做法，將光線由微顯示器引入具有一定厚度的棱鏡中，而該光學元件則是位于用戶的眼鏡上。當前比較主流的作法是采用波導光學元件（waveguide optics），在薄度、造型上都比較令人滿意。

 

使用這些穿戴式AR設備時，影像顯示來自微型顯示器發射；然后光線被引導進入波導光學元件中。波導光學元件是輕薄而接近透明的，所以使用者可以同時看到現實世界與虛擬世界的物件在波導光學元件中迭合。波導光學元件的作用原理有繞射（diffusion）或是全息（holography）等作法。不幸的是，光線通過波導后的損失幾乎達到99%，這樣會使得微弱的光線在現實世界的強光反差之下更顯得微弱、不明，因此，高亮度對AR顯示器至關重要。總的來說，與AR顯示器相比，VR顯示器的供應鏈、彩色技術已經相當成熟。這是因為已經大量生產的LTPS TFT LCD或AMOLED顯示器被廣泛使用，而且許多面板廠商已經存在 ，像是JDI、SHARP和Samsung Display等。

 

AR顯示器供應鏈之所以還不太成熟，有一些原因。首先，應用于可穿戴設備、成為微型顯示器的制作難度與精度，絕對不下于一般的TFT顯示器。再者，縱然有一些可應用的微型顯示器技術，但是在光機大小、效能、彩色、成本等因素的考量之下，業界還未能有最佳的技術成熟度與共識。當然，更重要的是當前的穿戴式AR設備出貨量實在太小，目前主要的應用多半是集中在垂直領域（例如：工業、醫療、軍事等），無法說服制造商在供應鏈中增加投資和生產。而現在這個供應鏈中的許多制造商規模偏小，有些員工人數約僅100-200人， 而且設備的量產等級與TFT顯示器行業完全不可同日而語。為了促進采用和生態系統發展，一些制造商相互合作，同時提供包含顯示、光學和設備的參考設計，以鼓勵更多的品牌開發產品。

 

AR顯示器的主要元器件是微型顯示器和光學器件，兩者是一個組合。LEDoS的優勢在于高亮度，即使經過波導光學元件的削弱（僅存1%左右），都有機會維持到1,000 nits。但其RGB的彩色技術尚未成熟，嘗試的技術方向包含色轉（color conversion）、堆疊（RGB stacking）、組合（RGB chips in a cube）。相對地，OLEDoS的彩色技術更加成熟，常見的是混出白光后透過彩色濾光片做法，但這種作法的光損較高。另外，也有一些作法是在OLEDoS的材料、堆棧（例如：Kopin Trio Stack）或是直接精細蒸鍍（例如：eMagin dPd™）上著手。OLEDoS比較適合VR和MR這類的封閉設備設計，但其亮度值對于通過波導光學元件的AR設備（開放式設計）來說可能太低。LCoS、LBS和DMD雖然光機相對于LEDoS與OLEDoS較大，但是很重要的優點就是彩色化與高亮度實現是可行的，三者均可以通過激光光源來提高亮度值。

 

AR和VR顯示器供應鏈和制造商   Source: Touch Panel Market Tracker, Omdia

來源：Omdia