近眼显示技术专家Karl：AR MicroLED技术路线与市场
用于AR的MicroLED
（映维网Nweon 2025年03月27日）近眼显示技术专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）正继续自己的分享。日前，他讨论了用于AR的MicroLED：
介绍
2025 SID Display Week（DW）将于5月11日至16日在美国加州圣何塞举行。我的上一篇文章讨论了我在Display Week 2024看到的LCOS技术，而本文将介绍一系列的MicroLED技术。在我定期参加的大会中，Display Week是我在同一个地方发现最多MicroLED公司信息的活动。
例如，我第一次听说Jade Bird Display（JBD）是在2019年的DW。我已经写过关于JBD的博文，但在JBD之外尚有一系列的其他MicroLED公司有待介绍。但在进一步讨论之前，我想分享一张我在近六年前第一次看到JBD时所拍摄的照片。在2019年，JBD有一个小小的单桌展位，而到了2024年DW，他们已经有了一个大大的展位。
就介绍公司的顺序而言，我将根据实现颜色的方式进行分组。类别包括原生单色、多波长单二极管发射器和量子点转换。在同一个类别中，我将把我以前没有讨论过的公司放在第一位。
1. 单色（绿色）与全色尼特
当你听到原生单色绿色有数百万尼特，而全彩绿色和全色QD颜色转换通常“只有”150K到300K尼特时，你可能会想知道发生了什么。造成这种数量级差异的原因很多。我将在本节中讨论数个关键原因，并将特定细节移到附录中。我只想说，量子点的转换效率并不是主要原因。
1.1 原生LED全彩
原生（非颜色转换）MicroLED厂商谈论的是令人印象深刻的数百万尼特输出，而他们谈论的是单一颜色，通常是绿色。绿色Micro LED通常（到目前为止）具有最高的每瓦电量。由于人类的视觉反应，蓝色LED具有更高的“墙壁插头效率”（通常指电能从电源插座/墙壁插头传输到用电设备过程中的能量转换或利用效率），但只贡献数个尼特。由于LED造得小，原生红色LED的效率会急剧下降，通常是Micro LED最成问题的颜色（有点讽刺的是，大LED的红色最容易制造）。所以，即便忽略在单个组件或与光学元件组合颜色的所有复杂性，蓝色和红色都会显著增加功耗，而增加的尼特相对较少。电力消耗和热量（以及热量的影响）将限制光输出。
然后，在组合颜色时存在效率损失的问题。使用X-Cube来组合三个单色MicroLED最昂贵，并且存在光学损耗。随着分辨率的提高，它会以三维的方式增长，因为像素大小无法进一步缩放。原生MicroLED的空间（RGB并排）颜色存在大量的技术问题。空间颜色令给定像素的发光面积更大，这意味着用于部分准直光以从像素的相同流明输出产生更多尼特的微透镜将由于延迟而效率较低。将红色、绿色和蓝色LED外延层堆叠在一起会导致严重的光损失问题，因为层会相互阻挡，并在工艺复杂性的基础之上导致热问题。
1.2 量子点全彩
量子点（QD）吸收波长较短的光，发射波长较长的光，从蓝色到绿色和红色，或者从UV到红色、绿色和蓝色（可能有其他颜色，包括白色）。然后，QD- MicroOLED具有单个LED晶体层（蓝色或UV），并以空间模式打印QD以产生颜色。如上所述，蓝色/UV MicroLED的WPE比绿色或红色高得多，即便在QD转换中有一定的损失，它们在输入/流明/尼特输出方面都具有更高的净效率。
单一颜色的量子点转换，蓝色或UV，导致一个单层单晶的一个简单LED结构。蓝色和UV的WPE比绿色和红色要好得多。即便在转换损失之后，产生红色和绿色都比使用原生红色或绿色MicroLED更有效。
QD颜色子像素通常并排排列，或者通常在一个含有两个绿色子像素（有时是白色或其他颜色子像素）的2×2矩形中，称为“空间颜色”。如前所述，空间彩色像素较大，光学扩展量较差。所以，微透镜在准直/收集光以增加尼特方面不太有效。任何生产全彩的方法都有显著的损耗。
QD MicroLED依然存在蓝光仅贡献约4%的问题，而红光贡献约30%（见附录）。所以，红色和蓝色（取决于不同的波长）贡献功率，而仅增加约34%的组合尼特。
与较大的直接视图显示器相比，非常小的LED会给量子点带来额外的问题。由于MicroLED的特征尺寸非常小，量子点层需要非常薄。在薄层中吸收和转换所有蓝光（或UV）非常困难。任何没有吸收并以新颜色重新辐射的蓝光（或UV）都是浪费的能量，要么令颜色降低饱和度，要么需要用滤色器阻挡，而这将导致进一步的损失。如果量子点转换UV，一个额外的要求是阻挡所有的紫外线，这样它就不会伤害眼睛。
QD的另一个问题是隔离子像素之间的光，这样，照亮红色亚像素的蓝光（或UV）就不会部分照亮相邻的绿色亚像素，从而令颜色去饱和。任何蓝光泄漏都会降低整体对比度。每个亚像素之间必须有一定的光阻挡结构，以防止严重的颜色交叉污染。这种光阻会导致光发射面积减少，吸收一定的光，造成光损失。我尚未看到QD MicroLED具有我认为足够好的色彩控制，但我看到的是原型，而不是最终产品。
2. 原生（单色）MicroLED
原生单色microled，主要是JBD，目前主导着AR眼镜类设备。大多数轻量级AR眼镜只使用绿色，少数使用X-Cube光学（例如TCL）。相比之下，其他人使用波导（例如Meta Orion）将三个JBD单色MicroLED组合在一起以产生全彩色。原生MicroLED非常耐用，可以产生数百万尼特的高亮度。然而，用原生LED生产单片全彩是一个非常困难的问题，并且不可避免地会带来显著的亮度损失。
2.1 QubeDot
QubeDot展示了他们的GaN红、绿、蓝MicroLED组件。这家公司主要提供GaN MicroLED的设计和代工服务。
2.2 VueReal
我在过去数年间里多次见到这家公司，并且有讨论过他们。VueReal既生产单色微型显示组件（目前像素间距为5.2微米），又生产单色和多色Singulated和Transferred MicroLED Displays显示器，即VueReal所谓的“MicroSolid”显示器，像素间距从~50微米到~450微米或更大。
尽管我把VueReal归入“单一原色类别”，但他们有通过磷涂蓝色LED来产生白色和其他颜色，以及量子点，以用于更大的MicroLED MicroSolid显示器。
VueReal的MicroSolid“墨盒打印工艺”采用经过测试的Singulated LED来制作相对较小和需要有限放大倍率的显示器，以及可以在很大程度上透明的直视显示器。
大于150微米的像素间距通常用于没有光学器件的直视显示器或具有简单光学器件的VR头显。对于更大的像素尺寸，LED分散得很远，以至于VueReal可以制造透明的显示器。它们可以层压成各种用途的玻璃，而VueReal声称可以将LED之间的间隙用于太阳能电池。
VueReal使用荧光粉涂层来制作透明的白色显示器。他们同时可以在MicroSolid工艺中使用量子点。MicroSolid工艺可以生产非常大像素的显示器，并用于制造可以显示简单信息的汽车尾灯（下图右图）。人们可以在类HUD显示屏看到这类组件，或可以在Uber/Lyft的显示屏看到，它们可以在接车时显示乘客的姓名或其他信息。
VueReal目前拥有5.2微米像素、超过100万尼特（绿色）的单色单芯MicroLED微型显示器。与JBD似，他们使用GaN作为蓝色和绿色，（我认为）使用AlInGaP作为红色LED。尽管这可能对波导显示头显有用，但我没有看到有在原型中使用。
与波导一起使用的典型AR微型显示器（LCOS，MicroLED， Micro-OLED和DLP）的像素间距从3到12微米，150微米及以上通常用于直视显示器和VR。VueReal同时展示了一种“tweener”像素大小的微显示器，像素间距57微米，160×90像素，0.42″（9.1 x 5.1 mm），峰值亮度为10,000尼特。对于波导而言，它不够亮，而且像素尺寸太小，无法直接显示。组件的目标是相对低成本的“数据零食（少量、高频、按需）”型AR。
2.3 JBD
JBD目前是AR领域的主导MicroLED厂商。他们的产品已在支持十几款AR眼镜。我见过的每一款纯绿色AR眼镜都使用了JBD的MicroLED。
3. 单发射器多颜色MicroLED
3.1 Q-Pixel
初创公司Q-Pixel正在展示他们的多色Micro像素，这是一种可以控制发出不同波长的二极管。他们展示了6800ppi/~3.7微米像素间距，并在现场演示了一个设备的工作原理（如下图）。有关Q-Pixel技术的更多信息可以访问官网。
单一LED发射器支持所有颜色的概念具有显著的技术优势，可以产生比空间颜色（单独的红、绿、蓝子像素）更小的像素，并且有更好的延迟，可提高光学效率。多家公司已经展示了单发射器支持多种颜色技术的实验室原型，包括Porotech。但它存在技术障碍，包括：
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红色的“电子到光子”效率通常是非常低的GaN，而且单一发射器对可变波长特别困难。
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通常（包括Q-Pixel），波长由电流控制，亮度由脉宽调制控制。将电流精确地驱动到大量LED阵列，从而实现颜色和亮度的变化，这极其困难。然后是在脉冲宽度调制时准确驱动电流的问题。
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生成全彩色图像将需要某种形式的“场序颜色”，其中各种原色（可能有三种以上）调制以形成两者之间的所有颜色。
3.2 Porotech
Porotech（上面刚刚提到），另一个单发射器支持多波长，在DW 2024大会有一个重要的展位。我在其他几次活动中见过他们，并参观过英国的工厂。我在DW 2024没有花时间访问Porotech，但这个博客有多次提到他们。
4. 量子点全彩MicroLED
4.1 Raysolve
Raysolve是众多开发蓝色MicroLED量子点颜色转换的公司之一。他们在8英寸的GaN-on-Si外延硅片制造蓝色MicroLED，然后将它们粘合到8英寸的CMOS衬底。然后，他们应用红色和绿色量子点层，得到每个像素一个红色、两个绿色和一个蓝色亚像素。
2×2子像素为~3.5微米，全彩色像素间距为~ 7微米。Raysolve演示了具有相同像素的320×240和640×480组件。他们声称的光输出为150K尼特。
我可以直接用相机拍摄他们的640×480显示器（ Olympus OM-D E-M5 Mark III，1:1微距镜头）。Raysolve同时给了我源图像。总的来说，图像看起来不错，与我见过的其他量子MicroLED相比，它有更饱和的绿色。
如果你仔细观察图像右下角的碗，你会看到不存在于源图像中的条纹。我认为这是因为它目前只是原型。
从与源图像的对比中可以看出，整体的蓝色太多。我简单调整了下，减少了蓝色（在Photoshop中），而图像有了非常大的改进。色彩平衡问题在原型演示中非常常见，我想进一步了解它们的潜力。
Raysolve同时通过一个（非Lumus）反射波导展示了他们的MicroLED。Lumus相信他们的几何（反射）波导的光效比典型衍射波导高9倍。这种效率优势可以解释RaySolve为什么会使用反射波导，而其他使用衍射波导的公司则是使用超过100万尼特的JBD原生MicroLED。
4.2 Saphlux（量子点颜色MicroLED）
与之前讨论的Raysolve一样，Saphlux使用量子点将蓝色LED光转换为红色和绿色亚像素。它同时使用每像素两个绿色、一个红色和一个蓝色亚像素的图案。
除了本文所要讨论的AR微型显示器之外，Saphlux同时有生产大型直视显示器。他们与Porotech一样使用多孔GaN来制造LED。
Saphlux展示了640×480 0.12“纯绿色（原生/非QD） MicroLED，其峰值亮度为300万尼特，以及1024×768全彩QD转换红绿，250K尼特。
直接绿色和QD全彩MicroLED之间的亮度相差约10倍似乎十分典型。造成这种差异的因素包括：
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对于一个给定的白点，你需要大约68%的绿尼特，28%的红尼特，4%的蓝尼特（这主要取决于波长和白点）。尽管这三种颜色需要相同的光能（以瓦为单位），但绿色提供了绝大多数的尼特。所以，红色和蓝色增加功率/热量，但相对较少的尼特。
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空间彩色像素的发射面积较大，由于延迟，导致像素与微透镜阵列的准直能力较差，从而降低了尼特。
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量子点转换损耗
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在QD转换为红色和绿色后，阻挡剩余蓝光的颜色过滤
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量子点的能量密度/加热限制。
尽管我未能在DW 2024大会直接拍摄Saphlux展示的照片，但数周后我特意在AWE拍了照片。在大会间隙，我为我的佳能R5买了一个5X微距镜头，以提供足够的分辨率来看到单个亚像素。
Saphlux组件缺乏红色和绿色的色彩饱和度/纯度，并且有大量残留（未转换的）蓝光。我们同时可以在上面的高分辨率图片中看到一系列的缺陷/死像素。我不想太过挑剔，因为这只是一个原型。但之所以指出这一点，是因为我在多个基于量子点的MicroLED中都有看到。
我同时得到了高分辨率的Saphlux（原生）绿色MicroLED的显微照片（下图）。它们看起来类似于JBD的绿色MicroLED。我通常会警告说，我不知道它们是不是“精心挑选的演示”，但它们很可能不是随机挑选的演示。
4.3 PlayNitride
PlayNitride是生产QD颜色转换MicroLED的最大厂商之一。就像之前所讨论的Porotech一样，我非常熟悉MicroLED，并且曾多次介绍过他们。
在AR/VR/MR 2023大会，PlayNitride声称他们的全彩AR微型显示器可以达到15万尼特亮度，而在2024年的DW大会，他们将这一数字提高到了30万尼特。
PlayNitride在DW 2024展示了30度视场衍射波导眼镜。眼镜的游戏内容对评估颜色没有帮助。我不是要指责他们，但这类内容可能会隐藏一系列的色彩质量问题。
在AR/VR/MR 2023，我花了更多的时间来评估他们的演示内容，他们使用了Lumus几何（反射）波导，而我发现他们的红光和绿光依然存在大量的残余/未转换的蓝光，但我希望这种情况已经改善，并将随着他们开发量子点的过程而继续优化。
结论
SID Display Week依然是我认为了解增强现实显示技术的最佳大会，尤其是MicroLED的开发。正如在上文所讨论，我在2019年活动的一个小展位中看到了Jade Bird Display，而几年后，他们就出现在了一系列的AR设备之中。
当使用波导时，产生全彩色的高亮度依然是MicroLED难以实现的目标，但我有持续看到改进。我们很容易被数百万尼特的单色原生MicroLED所吸引。就尼特而言，全彩MicroLED器件的数值要低得多。他们将需要更高效的波导来提供足够的亮度，要么是反射波导，要么是更高效的衍射波导。
附录:更多关于单色与全彩MicroLED的信息
假设630nm红色，530绿色和460蓝色LED和标称D65“白点”，红色贡献约26%的尼特，绿色70%，蓝色只有4%。对于所述波长，D65是白色，总辐射能量约为41%的红光，33%的绿光和26%的蓝光。墙壁插头效率WPE，即电输出瓦数与电输入瓦数之比，会随红色、绿色和蓝色而变化。
然后，我们有一个问题，“尼特”（和流明）是基于人类对可见光的反应（由研究得出），这种反应随着波长的不同而有非常大的变化（见下图表），为什么蓝色，尽管对色彩平衡是必要的，但它对“尼特”的贡献却如此之少。从图中同时可以看出，不同颜色的波长会影响尼特，同时会影响白平衡所需的给定颜色多少。
尽管蓝色对感知颜色有显著影响，蓝色MicroLED通常比绿色或红色更有效，但蓝色led对尼特的贡献可以忽略不计。原生绿色GaN led（粗略地说）是通过在蓝色LED添加杂质/晶体应变来推动波长而制成。
LED制造商倾向于使用EQE，而不是更容易理解的“墙壁插头效率WPE”。事实证明，EQE和WPE是成比例的。
以下两张图表摘自2004年9月和2025年3月曼努埃尔·根斯勒（Manuel Gensler）的演讲。左图显示了原生蓝色、绿色和红色LED在尺寸缩小时的相对峰值EQE（与WPE成正比）。右图显示了制造绿色原生GaN MicroLED的问题，以及当波长推向更理想的（色域）~530nm时，EQE（因而WPE）会随着所谓的“绿隙”而下降。
看看上面的每瓦流明（和尼特）图表，你会注意到当绿色波长从532nm下降到510nm时，每瓦（光）尼特下降了57%，色域同样缩小。
根斯勒同时讨论了使用AlGanInP制成的小型红色原生LED的效率问题。他和其他量子点公司提出的理由是，利用蓝色的量子点转换产生绿色和红色的效率更高。
有两种类型的晶体结构用于制造原生红色LED。比较常见的方法是使用磷酸铝铟镓（AlInGaP/AlGaInP），另一种方法是在InGaN中加入杂质，将其拉伸成红色。Lumileds于2022年在《Compound Semiconductor》发表了一篇文章，展示了WPE是一系列像素尺寸的电流密度的函数。与根斯勒的演示一致，随着LED尺寸的减小，红色WPE的下降幅度要大得多。他们同时展示了InGaN是如何具有非常低的WPE。
应用材料曾在一篇文章中提倡将QD UV LED用于红色、绿色、蓝色，甚至可能是其他颜色。一般来说，UV或近UV蓝光下的量子点转换效率比可见光要好。请注意，他们谈论的是中等大小的“MicroLED”，80微米像素范围内。即便有了更大的像素，红色原生MicroLED的WPE效率都是一个问题。他们声称，通过UV QD转换可以实现更好的色域，并提供更高的光效。
