INDUSTRIAL

微型显示器

在相机EVF(Electronic Viewfinder)上获得高度评价 OLED微型显示器将实现更高画质、更大画面, 为AR/VR等可穿戴设备开创未来

January 21, 2022

OLED微型显示器被用在无反数码相机的取景器(EVF:Electronic Viewfinder)和头戴显示设备(HMD:Head Mounted Display)等产品上。在迎来产品首发10周年的2021年,索尼开发了史上最高分辨率的OLED微型显示屏。这款显示屏实现了压倒性的品质与高精细画质,有望被广泛应用在描绘未来世界的电影中出现的AR(Augmented Reality:增强现实)和VR(Virtual Reality:虚拟现实)等可穿戴设备上面。
能在0.64英寸的微型显示屏上实现压倒性的高画质,其背后是不断挑战极限的索尼半导体解决方案集团(以下简称本公司)开发成员们不可估量的努力,以及团队紧密合作的成果。

M.Tamura

Sony Semiconductor Solutions Corporation
Display Device Business Division

C.Kon

Sony Semiconductor Solutions Corporation
Display Device Business Division

K.Tanaka

Sony Semiconductor Solutions Corporation
Research Division 2

T.Kato

Sony Semiconductor Solutions Corporation
Research Division 2

在搭载EVF的无反数码相机上获得行业领先地位的本公司的OLED微型显示器

―― OLED微型显示器是什么样的产品?

Tamura:简单来说,就是在硅底板(基板)上构建像素电路与外围电路,再在其上方设置有机EL材料发光层的显示屏,主要用在无反数码相机的EVF以及AR、VR等眼镜设备、HMD(头戴显示设备)等之上。其中,我们的产品有着小型化及高精细(高像素密度)的特色,目前正以0.2英寸至0.7英寸的产品为主推进开发工作。作为AR/VR等眼镜设备、HMD等的显示器件,这类OLED微型显示器具备极大优势,今后其应用场景也将越来越广泛。

Kon:PC和智能手机上常见的显示器的底板多使用玻璃,而我们产品的特色是使用了硅材料。得益于使用硅底板,我们研发出非常高精细度(像素密度)的显示器。

Kato:2021年,是索尼OLED微型显示器首发10周年。索尼具备硅底板技术和有机EL前面板技术,OLED微型显示器始于融合这两项技术开发出的超小型显示器。

―― 从液晶转到OLED微型显示器,有哪些优点?

Kato:最大的优点就是不再需要液晶所需的背光。从家电卖场内陈列的液晶电视机与OLED电视机的差异就能看出,自发光的OLED不存在背光漏光的问题,因此,能够表现出更加纯正的黑色。

―― 迎来首发10周年的OLED微型显示器,其开发的契机是什么?

Tamura:开发的契机就是集团内相机EVF的需求。如果要推出无反数码相机,从结构上来说,必须用EVF取代传统的光学取景器。因此,我们决心“制造出更高精细度的高品质取景器”,于是就开发了OLED微型显示器。之后,我们又开发出多种不同尺寸和分辨率的显示屏,从而实现了对外销售并被搭载于客户产品上。

追求极致,实现
无与伦比的尺寸、高精细度和视场角特性

―― 请问在此次OLED微型显示器开发过程中曾执着于哪些方面

Kato:开发初期的显示器只要仔细观察就能看到像素点,这样的状态称不上是超高精细显示器。另外,视野角特性上也存在问题,视线稍微偏移,颜色就会失真。因此,在开发过程中,我们尤其注重以窄间距像素排列实现高精细化,同时改善视角特性。

Kon:此次,客户提出希望有相比传统产品,尺寸更大的EVF。而在开发全新尺寸产品的过程中,我们遇到了各种难题

Kato:OLED微型显示器将搭载于相机上,因此,在需要小型化的同时,为确保视认性(图像的可辨识性),又需要一定大小的显示器尺寸。另外,从视认性的角度来说,虽然可以用镜头放大图像,但如果显示器本身的精细度(像素密度)比较低,也会导致可以看到像素点的问题。所以,我们探讨了以正在开发的工艺和设备能实现的最小像素间距。

Tanaka:我主管晶圆工序的工艺设计,负责晶圆上的结构成型工艺。虽然显示器尺寸变大了,但我们仍致力于缩小搭载其中的像素本身的尺寸,以将传统的7.8um像素缩小至现在的6.3um为目标,进行了开发工作。为此,我们研究了缩小半导体电路的配线间距和增加搭载于其中的电容元件容量的设计方案。

―― 开发是如何推进的?

Tamura:从我的立场来说,开发的目标是将产品导入到索尼的相机中,因此,从最初规格制定阶段开始,就与相机设计部门展开了合作,从试制、测试的反馈到量产,全程请求他们的协助。特别是此次,我们要开发前所未有的大画面尺寸,而开发团队也对是否真的需要这样的大尺寸提出了质疑。当时,为了准确、细致地传达客户的意见,获得团队的理解并往前推进,我多次与团队成员沟通协调。

Kon:我主管的是外围电路,首先安排了相关人员找出课题,并制定各项课题的解决方针,然后在此基础上通过仿真等手段确认可行性。之后,反映到实际的设计与布局当中,进行系统的原型设计与实证,进而探讨制造工序中的安装与应用方法。

Kato:为实现高精细化而缩小像素间距后,会出现视线角度稍微偏移画面就有偏色等视场角特性大幅恶化的问题。为改善视场角特性,必须缩短发光部分与CF(彩色滤光片)的距离。而传统的OLED微型显示器,由于在封装有机EL材料的玻璃一侧配置CF,所以光源到CF的距离较远,而且玻璃的贴合精度也有限。为此,我们决定导入片上彩色滤光片*²(OCCF:On Chip Color Filter)的工艺来克服这些问题。导入OCCF后,我们成功将CF配置在接C.KonOLED发光层的位置上,大幅改善了视场角特性。并且,可以充分利用半导体的工艺技术,CF与光源之间的对位精度也大幅提升。

*2:对OLED产生的白色光进行颜色分离,形成彩色光的技术。

另外,若仅仅将CF配置到OLED上,受视角特性影响,从水平方向或者垂直方向看,画面上仍会出现其他颜色。为此,我们开发了新的像素设计方案。并且,直到开发期限的最后一刻我们都在对视角特性不断地做细微调整,最终实现了超越其他公司的卓越性能。

Kon:我认为相比其他公司的元器件,本公司的元器件堪称出类拔萃。这是因为大家总是在坚持不懈地挑战各种不可能。

Tamura:的确如此。做出样机后,我们会将样机带去给客户确认。客户会在样机上安装镜头,然后通过调整眼睛的位置来确认图像效果。如果发现画面上出现了一点儿杂色,就会因为不满意而将样机退回。因此,我们必须最大限度的改善视角特性,追求极限性能。

Kato:在最后冲刺阶段,是由C.Kon先生与K.Tanaka先生的产品化团队来负责的。针对改善方法,我们以开发时的数据为基础,多次讨论是否还有改善余地。

Tanaka:我负责的晶圆工艺设计,在追求像素高精细化的基础上,还必须实现高容量的元件、缩小配线间距。但是,这是依靠传统工艺难以实现的,因此必须重塑元件结构、制定新的设计规则。
在缩小配线间距方面,我们与元器件设计人员和电路设计人员反复讨论,确定了保证配线不短路前提下的最窄间距和对应的电阻值,然后以此为起点,推进元件结构的讨论和设计。
另外,像素的微细化必然导致二极管元件可用的面积缩小,为确保和过去一样的容量,必须降低介电膜的厚度。因此,关于究竟可以实现多薄的介电膜,我们一次又一次地对元件特性与工艺偏差可接受的极限膜厚及其加工方法进行验证,进而推进开发。
简单来说就是“将过去较大尺寸所包含的所有元件,全部放到另一个小尺寸中”。因此,我们的做法就是缩小配线间距、降低膜厚,削减所有可以削减的地方。挑战这一代工艺所能实现的极限加工水平。

追求极致性能,是否也导致了量产化时的品质管理困难重重?

Kato:我们从开发初期阶段就把可量产化纳入了考量范围。在开发工作中,仔细研究了如何在不影响量产成品率的前提下,最大限度地提高性能。

Tanaka:本产品从生产初期开始就保持着高成品率。这是我们从开发初期就在考虑了量产的前提下推进设计、开发的成果。

把握AR/VR和HMD等
未来可穿戴设备发展关键的OLED微型显示器

―― OLED微型显示器将为哪些领域带来商业价值?

Tamura:OLED微型显示器除了EVF,还被用于AR/VR眼镜和医用HMD等。
作为EVF,相比传统液晶,其对比度以及低亮度时的色彩还原性都非常优秀,凭借着超高画质获得了众多客户的好评。另外,它还具有小型化、低能耗的特点,在移动终端、可穿戴设备上的应用也都很有前景。因此,我们期待它可以从AR/VR开始,逐渐拓展更多各式各样的应用场景。
Kon:一开始也提到了,目前我们利用硅底板能够制造出超高分辨率的显示屏。在T.Kato先生、K.Tanaka先生等人的努力下,通过像素小型化实现高分辨率的研发工作正在不断推进。今后,我们将探索进一步的改善。
ppd(Pixel Per Degree)是衡量肉眼所见的图像质量的指标,PPD越高制造出的显示屏就越接C.Kon现实中的肉眼所见。在观察像素粗糙的图像时,就能会看到像素点,但随着分辨率的提升,就可以实现在显示屏商看到的图像与现实中看到的基本一致。例如索尼无反数码相机的旗舰机型“α1”所搭载的EVF,就可以呈现非常接C.Kon于现实的效果。

Kato:说到EVF,人们通常只会在拍摄时用到它,但是如果在确认已经拍摄的图像和影像时也用EVF,而不是用背面的液晶屏幕的话,我想用户一定会对他所看到的非常漂亮的画面感到惊艳。

Kon:另外,还可以用在辅助色弱、弱视群体人群的眼镜上。虽然还在起步阶段,但如前面所提到的,这款产品将有望在各个领域得到广泛应用。

―― 今后,OLED微型显示器将会怎样地进化?

Kato:过去,主要是面向EVF市场,但现在,它正朝着AR/VR领域发展。但是,AR/VR等设备的尺寸还很大,无法随心所欲地使用。其中,就VR来说,沉浸感非常重要。因此,需要扩大眼前的显示器。虽然此次产品的尺寸为0.64英寸,但VR设备需要更大尺寸的显示器。
另外,AR上的显示器时可透视的,因此外部光线也会进入到眼睛。由于外部光线的光量非常大,因此当前的OLED微型显示器存在光量不足的问题。如果其光量不敌外部光线,就会导致看不清显示器上呈现的画面。提升显示器的辉度,确保不输给外部光线的光量这一点将非常重要。

Kon:虽然我们的OLED微型显示器现在已经足够亮了,但是AR产品采用了复杂的光学设计,势必会损耗一定的亮度,因此必须进一步提升亮度。如果能在像眼镜镜片那样薄的显示屏上实现高亮度,就能在各种场景中得到应用。

―― 请介绍一下未来要挑战的目标

Tamura:身处这家公司,就想要参与各种先进产品技术的研发。SSS集团拥有许多其他公司无法企及的产品,因此我非常希望能参与这些产品的开发。

Kon:不管是OLED微型显示器还是其他的,只要是有趣的元器件,我都希望能参与研发。我认为元器件是最先进技术的集合。它们被搭载于产品中再投入市场往往需要数年时间,因此,能超前很多年见识到最新技术的魅力,还是很有意思的。在本公司,除了OLED微型显示器以外,还在进行许多目前世界上所没有的产品的开发,所以,我也有很多想要挑战的东西。

Kato:我认为未来采用OLED微型显示器的轻便AR与VR产品的市场将不断扩大。目前还没有增长的原因在于缺少与需求匹配的产品。只要出现更小型、具有沉浸感、可视性好的产品,就一定会畅销。AR/VR这些显而易见的需求就摆在我们眼前,因此我希望通过提供性能进一步升级的超小型显示,为开发终极的AR/VR产品做出贡献。

Tanaka:此次的产品开发,我们追求像素的微细化,但还未达到重现现实的高精细度,因此,今后我希望在这方面进一步突破。
另外,关于我们的OLED微型显示器的卖点,性能自不用说,高品质也是一个方面。
而要实现量产时的高品质/高成品率,就像此次我们所遵循的那样,要从开发早期阶段开始考虑量产的问题,构建健全(强韧)的工艺,并在工艺开发的同时将其反映到设计规则中,实现健全的商品设计,这一点非常重要。SSS集团设计、开发、量产力量齐备,正因如此,才能为社会提供高性能、高品质的产品。现在,我被调派到开发部门,希望能够发挥在制造部门掌握到的技术和经验,在新一代工艺的开发中,构建健全的製造工艺。

Tamura:C.Kon先生和K.Tanaka先生的工作是很难为外人所了解的,这样的开发非常耗时,而从一开始就能制造出品质相当不错的产品,这一点很重要。如果抱着边做边改的态度去做的化,很可能会被其他公司抢占先机,也有可能产品推出市场时已经过时了。能够牢牢把握机会并及时发售产品,是参与开发、工艺设计的成员们不懈努力的成果。公司集结了从开发到制造的力量,这一点自不用说,同时我认为让大家能够团结合作的这个环境,是创造出具有压倒性性能的产品的原动力。

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