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索尼4K Micro OLED VR屏技术揭秘，未来还将结合红外光源
Esther｜编辑
近期，索尼展示了一款VR原型机，其特点是单目分辨率达4K，像素细腻程度高，而且可有效降低延迟。索尼称，这项基于Micro OLED技术的VR头显，将为你带来具有压倒性实在感的共享体验。从演示视频来看，这款VR头显可近距离显示虚拟驾驶舱内的清晰细节。
据悉，该VR原型机采用的Micro OLED面板由索尼研发，为了实现VR对于清晰度、体积的要求，便研发了这样一款轻量化的4K屏幕。其特点是体积小、高分辨率、高对比度、宽色域、快速响应。像素数量为OLED智能手机屏幕的二倍，而尺寸则缩小近20倍。为了制造这样一款高密度的微型显示屏，索尼使用了CMOS图像传感器采用的加工和封装技术。
索尼表示：通常，VR头显利用透镜来放大显示屏画面，如果放大后的图像存在肉眼可见的像素颗粒，便会大幅影响沉浸感，降低VR的逼真感。因此，理想的VR体验需要提升画面的细腻度，同时也需要缩小显示单元，来降低整体设备体积。
该Micro OLED屏的另一特点是，图像延迟低。通常，VR头显用0.1秒来处理3D图像，这0.1秒的延迟可能会因为画面不匹配而让用户产生眩晕，而为了避免眩晕产生，3D图像处理的延迟应该低于0.01秒。因此，索尼结合了VR头显传感器采集的多种数据，再加上延迟补偿技术，来匹配3D图像与用户头部的相对位置。
索尼高度参与了这项Micro OLED技术的研发，包括晶体管、布线、像素电路、发光元件、成膜方案、CF滤光片图案、玻璃封装等半导体元件的设计与制造。在一篇最新的文章中，索尼详细描述了这项技术背后的细节。
技术来自电子取景器
实际上，微型显示技术此前已经应用于家用背投电视、室外和会议投影、AR HUD、电子取景器（EVF）等场景，效果足够好。
据青亭网了解，索尼从2009年开始研发OLED微显示技术，目的是为了开发应用于无反相机的电子取景器屏幕。他们发现，此前采用的LCD微显示屏效果不如光学取景器，而Micro OLED由于采用自发光设计，则可以带来比LCD更好的对比度，并正确显示纯黑。此外，Micro OLED的另一优势是，响应时间快，色散不明显，而且不容易产生运动模糊。
2011年开始，索尼首次将Micro OLED屏幕应用于电子取景器，随后这也成为了其Micro OLED显示技术的主要应用场景。
像素缩小至几微米
索尼表示：OLED是一种自发光的显示技术，特点是视频相应快、色彩鲜艳等等。目前，OLED技术已经在电视、显示器、手机等领域得到广泛应用。接下来，这项技术在AR/VR头显的应用需求有望增加。
此前，索尼就在不断探索Micro OLED显示技术，包括推出多款应用于相机、AR/VR的高分辨率微型显示屏。其表示：Micro OLED的定义是，一种在硅基面板上使用CMOS电路来驱动像素的显示方案，这些像素的尺寸约为10微米或更小。
后来经过不断迭代，索尼成功将Micro OLED的像素尺寸从原来的几十到几百微米，缩小至几微米，因此可以开发出面积仅6.5平方厘米的高分辨率OLED面板。
制造轻量化、高分辨率屏幕
索尼4K Micro OLED屏幕结构设计如下图，其上下分别采用玻璃和硅基（不透可见光）衬底，其中还包含一层顶部发光的白色OLED，以及叠加在上方的CF滤光片、钝化膜。我们知道，滤光片会将OLED发出的白光过滤出红绿蓝RGB三种颜色。
索尼表示：OLED面板显示彩色像素的方法通常有两种，一种是基于发白光OLED的方案，另一种则是在OLED面板上使用荫罩图案。其中，荫罩方案会为每个单独像素形成发光材料膜，不过考虑到Micro OLED的像素尺寸可能不足3微米，现有的精细金属掩膜技术难以实现这种工艺。于是，索尼便采用发白光的OLED方案，直接在面板表面上覆盖相同有机材料的薄膜。
此外，为了减少子像素尺寸小而对图像质量的影响，索尼优化了CF滤光片的结构，同时控制CF与轨迹衬底之间的位置，并优化电极和OLED的材质和面板结构。
精准控制微电流
据悉，索尼Micro OLED面板中发白光的OLED层两侧分别有阳极和阴极，两种电极为OLED供电。采用这样的设计，索尼则需要解决用硅基衬底上的晶体管精准控制微电流的挑战。
为了让Micro OLED屏幕的小尺寸像素发光，需要精准控制电流，这种电流甚至不足智能手机OLED屏幕的千分之一。因此，微小的电压变化也会造成电流呈指数增加或减少，同时像素的亮度也会大幅变化。
为了解决上述问题，索尼利用多年来积累的像素电路驱动技术，根据物理特性来来模拟设计，研发了一种适用于硅基衬底的最佳像素电路方案，其特点是性状稳定，并达到索尼预期的效果。
Micro OLED结合近红外光源
为了进一步提升Micro OLED的效果，可以在现有的可见光OLED基础上，叠加近红外发光材料，来生成全新的光源方案。实际上，索尼号称是世界首个将近红外发光材料集成到Micro OLED面板中的公司。
在近红外Micro OLED研究中，索尼计划使用“Super Top Emission”OLED面板中的微腔结构设计，不过由于在红外光OLED领域经验有限，因此也面临着发光效率低等问题。
索尼解释，通常可见光的外量子效率（EQE）最多在30%左右，而在波长超过90纳米的近红外光谱中，EQE会下降到1%以下。（注：EQE指的是光源发射出的光子数与注入光源的电子数之比，反映光源整体的发光效率）
为了解决上述问题，索尼与日本九州大学的有机光子学和电子研究中心合作，共同研发下一代高性能发光材料。也就是说，索尼将近红外Micro OLED技术的研发工作开放给外部研究中心。
初期研究中，近红外Micro OLED的EQE不足0.1%。后来，九州大学将创新材料与索尼的顶部发光技术结合，将有望提升900纳米波段近红外OLED的EQE。
潜在应用场景
应用场景方面，索尼这种低延迟、高分辨率、轻量化的VR头显未来可应用于游戏、视频、3D设计、社交、远程协作、现场活动、医疗培训、工业制造辅助等场景。
未来，高质量电子取景器和AR/VR等可穿戴设备将需要更高分辨率、更高亮度、更快响应、更低功耗的显示技术。尤其对于AR/VR头显来讲，高功耗不仅降低续航，而且散热多，影响用户体验。而且在AR/VR游戏、娱乐场景，高效率的显示屏可带来更优质的图像效果。
此前有消息称，PS VR2将配备OLED屏幕，或许可以期待未来迭代的PS VR可能会继续使用OLED技术，甚至Micro OLED。索尼是否会在自己VR头显中率先用上4K屏将值得期待，毕竟PS5的机能已经足够4K 120Hz。除此之外，郭明琪也曾预测，苹果预计在2022年推出的AR头显（VST方案）将采用索尼4K Micro OLED屏幕。
近红外传感技术未来可以应用于物联网、机器人技术等领域。此外，将近红外传感器与小型高分辨率光源结合后，有望提升3D扫描的精度和速度，甚至还可以与RGB显示屏结合，开发同时具有现实和传感功能的设备。
参考：
https://www.sony.com/en/SonyInfo/research/technologies/OLED_microdisplay/
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