索尼8K VR头显原型背后Micro-OLED显示技术的研发、挑战与探索
相关用例在未来将能扩展到虚拟现实和增强现实设备
（映维网 2021年12月09日）索尼的Micro-OLED显示器是一种非常小的高分辨率显示器，并且具有高对比度、宽色域和快速响应时间。它已经用于相机的电子取景器等设备，并收获了广泛的好评。未来，这家公司预计相关用例将能扩展到虚拟现实和增强现实设备。
在日前举行的索尼科技日活动中，索尼展示了一款搭载4K Micro-OLED显示屏的VR头显原型。同时，索尼研究人员高木昭纲和木村圭撰文介绍了团队在这方面的研究，下面是映维网的具体整理：
1. 像素尺寸为微米级的Micro-OLED显示器
智能手机OLED与Micro-OLED显示器的比较
OLED显示器是自发光显示器，具有出色的视频响应时间和鲜明的色彩表现。它们广泛应用于电视、显示器和智能手机。
索尼利用专有的OLED技术和硅半导体驱动技术，成功地将通常为几十到几百微米（μm）的像素尺寸缩小到几微米。所以，既保留OLED优势又创造1平方英寸的高分辨率面板成为了可能。这就是所谓的Micro-OLED显示技术（索尼将Micro-OLED显示器定义为通过位于硅衬底的CMOS电路驱动尺寸约为10μm或更小像素的显示器）。
与LCD和LED等显示技术相比，Micro-OLED显示器以其高图像质量和分辨率、小尺寸和快速响应时间占据了独特的地位。特别是，它们用于DSLR相机电子取景器和头显等设备时的评价很高。索尼目前正在进行相关的研发，并预计需求将随着AR眼镜和VR头显等可穿戴显示器的普及而增加。
2. 始于相机电子取景器
索尼于2009年开始研发为后来Micro-OLED奠定基础的显示技术。当时，可换镜头相机正在蓬勃发展，而液晶微型显示器的性能与光学取景器相比不足的事实正在成为一个问题。
与液晶微型显示器相比，Micro-OLED显示器的主要区别在于它是自发光显示器。所以，它们的对比度非常鲜明，并且它们能够正确地再现黑色色调，而这正是液晶需要面临的问题。另外，在相机晃动时，液晶微型显示器有时会出现色散现象，而由于响应时间快，这在OLED显示器中不会出现，运动模糊很难发生。
第一款Micro-OLED显示器最初在2011年实现，并在随后广泛用于相机取景器。这是它们目前的主要用例。
3. 实现小型化和高分辨率的工程原理
为了实现高图像质量，索尼正在使用包含彩色滤光片（CF）的Top-Emitting White OLED作为Micro-OLED显示器的组件。向上发光白色OLED的发光结构和所使用的技术如上图所示。
Micro-OLED显示器中使用的硅衬底不传输可见光，所以通过Top-Emitting方法从CF玻璃衬底侧提取光。OLED显示器有两种形成彩色像素的方法：White OLED方法和Shadow-Mask Patterning OLED方法。索尼于2007年发布的Super Top Emission方案采用Shadow-Mask Patterning OLED方法为每个像素形成发光材料薄膜。
例如，Micro-OLED显示器的像素比例不到普通OLED显示器的十分之一，例如低于3μm。现有的Fine Metal Mask（FMM）很难处理所述问题。所以，索尼使用White OLED方法，从而在整个表面形成相同有机材料的薄膜。
通过向硅衬底OLED层两端的电极施加电压，发光材料发射白光，然后通过不同的CF对每个像素进行分散，并传输通过玻璃基板。
通常，子像素尺寸越小，相邻像素中混合的光和电流就越多，特性和图像质量就越可能恶化。索尼通过优化CF结构，控制硅衬底和CF衬底之间的对准，以及优化电极和OLED层之间的材料和层组成来抑制退化。
为了建立这种方法，索尼利用了一系列的技术资产，例如公司多年来开发的OLED器件设计技术，以及与材料制造商联合开发的高效长寿命器件。另外，3μm CF RGB处理技术采用了为CCD图像传感器开发的技术。
4. 精确控制微电流的挑战
当团队尝试开发更高效的高分辨率Micro-OLED显示器时，其面临的一个问题是用硅衬底上的晶体管控制电流。
要令精细间距像素发光，你必须精确控制电流。其中，相关电流是智能手机OLED中的1/1000。电压控制和电流发射关系如下表所示：
纵轴显示电流，横轴显示控制电压。在智能手机OLED的TFTs中，电流控制在由控制电压和晶体管阈值电压的平方所定义的区域内，但对于Micro-OLED显示器，其需要使用常规CMOS逻辑控制由指数函数定义的微电流区域。在所述区域，即使是电压的微小变化都会导致电流量呈指数级增加或减少。所以，每个像素的亮度变化很大。
在这种情况下，如何控制电流的绝对值呢？你无法简单地在反复试验中改变条件，从而优化用于控制微电流的晶体管的性能。相反，索尼回到了基础物理，根据物理性质创建了公式，然后进行模拟以支持理论。在保证了理论的有效性后，团队进行了试产并得到了预期的结果。
团队同时利用了索尼多年来开发的像素电路驱动技术资产。尽管TFTs和CMOS电路的要求不同，但索尼寻求硅衬底的最佳像素电路技术，强调特性稳定性。终于，他们在2017年成功建立了所述技术。
5. 目标是高分辨率、高亮度、快速响应时间和低功耗
索尼的Micro-OLED显示器利用了公司先进的技术知识和多年的制造经验。为了在未来的电子取景器和可穿戴设备显示器中创建真实感的图像，需要更高的分辨率、更高的亮度、更快的响应时间和更低的功耗。特别是对于可穿戴设备而言，更高的功耗会造成设备过热，并成为用户体验的障碍。另外，在娱乐行业，更高的刷新率对游戏非常重要。
6. 利用开放式创新研究来探索新光源
扩大Micro-OLED显示器可能性的挑战正在进行中。它涉及将现有的可见光Micro-OLED显示技术与人类看不见的近红外发光材料相结合，从而探索新光源。索尼是世界第一家将近红外OLED集成到微型显示器中的公司。
在这项研究中， Super Top Emission采用了微腔结构设计技术（利用上下电极之间的光共振效应，使外部发射的光产生陡峭而强烈的光谱），以及目前的控制技术是预期用于近红外光的技术之一。然而，团队对发射近红外光的OLED组件缺乏经验，并且面临着与低发光效率相关的问题。
发射的近红外光的数量不能用坎德拉表示，而是使用术语外量子效率（External Quantum Efficiency，EQE）。这是耦出光子数与注入发光元件的电子数之比。一般来说，通过可见光获得的EQE最多为30%左右。但当近红外光谱的波长超过900nm时，它会下降到1%以下。
为了解决这个问题，索尼决定把目光投向第三方研究。
团队与正在研究下一代高性能发光材料的日本九州大学有机光子学和电子学研究中心合作。一开始，EQE一直停留在0.1%以下。然而，通过将索尼的Top-Emission技术与利用九州大学材料技术开发的新材料相融合，实现900nm波段近红外OLED的实用EQE成为了可能。
7. 传感领域的预期用途
除了用于元宇宙的AR和VR之外，近红外传感有望在物联网和机器人技术的新领域中实现应用。结合索尼传感器和小型高分辨率光源的三维测量将允许对物体形状进行更精确和更快速的观察，并可能带来传感技术的快速进步。另外，通过为可见光显示器添加近红外光，可以开发具有显示和传感功能的设备。
用亮度计测量了常规Micro-OLED显示器的特性。对于近红外光，索尼使用近红外光电二极管和图像传感器捕获光并对其进行评估。
对于原型，索尼创建了测试图案来检查亮度的均匀性和灰度。尽管数值计算非常重要，但团队同时有用自己的眼睛在可见光下对其进行检查。
一系列的索尼工程师都已经参与到开发Micro-OLED显示技术，包括半导体器件（如晶体管和布线）的设计和制造工艺、像素电路和轻量元件设计、薄膜形成、CF图案和玻璃封装等等。这项范围广泛的技术能够允许各种专家发挥其全部潜力，而索尼通过令人印象深刻的图像质量来为客户提供独特价值的努力依然在继续。
