面向VR应用的超高密度硅基OLED微显示关键技术研究

Aiming at the immersing head-mounted virtual reality devices problems on the bulky size and heavy body, the discomfort wearing feeling, the vague display content and the dizziness after long time use, this proposal present a solution to utilize the high pixel density OLED-on-silicon microdisplay with 3000PPI above as the head-mounted virtual reality display terminal to break through the display hardware bottleneck. This project will start from three layers: the mass display data scanning and mapping method, the design methodology of the ultra-high pixel density display driving backplane, and the ultra-fine full color pixel physically realizing technology. It analyzes the deep inner reasons that restrict the improvement of the resolution and the pixel density of the OLED-on-silicon microdisplay theoretically and experimentally, and then explores the universal solutions on eliminating or weakening these restricting factors under the current semiconductor and display process level through the view angle of algorithm upgrading and design optimizing. Finally, this proposal plans to set up a design model of the high performance OLED-on-silicon microdisplay with the high scan imaging efficiency, high data transfer speed, high driving performance, high pixel density and high color reproducing ability. As the basic key device, the OLED-on-silicon microdisplay can be widely used in military, medical, industry, consuming, education, social service or other related fields. The achievements of this project will bring huge practical application values and further potential development ability.

本课题针对现有沉浸式头戴虚拟现实设备体积大而笨重、佩戴舒适感差、显示内容模糊、存在眩晕等问题现状，提出利用具有3000PPI以上超高像素密度的硅基OLED微显示器作为头戴式虚拟现实显示终端的方案来突破现有显示硬件瓶颈，从海量数据扫描成像映射方法、超高密度显示驱动芯片设计方法、超精细全彩像素实现技术三个层面展开研究，通过理论推导和实验验证分析制约硅基OLED微显示器分辨率和像素密度进一步提升的深层次原因，从算法升级和设计优化的角度寻求在现有半导体和显示工艺水平下消除或弱化这些制约因素的普适性方案，最终建立具有高效成像映射、高速数据传输、高性能驱动、高密度像素、高色彩还原能力的高性能全彩硅基OLED微显示器的设计模型，并加以工程实现。硅基OLED微显示器作为关键基础器件，在军事、医疗、工业、消费、教育、社会服务等领域有广泛应用，本项目研究成果将带来巨大实际应用价值和进一步发展潜力。

随着计算机技术和新型显示技术的不断发展和成熟，虚拟现实、增强现实等近眼显示应用得到极大关注，对硅基微显示技术提出新的要求。针对面向沉浸式虚拟现实应用的高密度全彩硅基OLED微显示器的现实需求，本课题从显示映射传输理论、驱动技术与电路架构、精细像素实现工艺三个维度展开研究，通过理论推导和实验验证分析了制约硅基OLED微显示器分辨率和像素密度进一步提升的深层次原因，提出了OLED微显示器的原子扫描策略、高清硅基微显示数模融合扫描策略以及面向数字驱动式硅基微显示器的双帧分权融合扫描等扫描算法，提高了扫描效率及线性度。提出了面向数字驱动近眼显示器的位平面压缩技术、立体视觉中心凹JND模型及其图像压缩算法以及基于人眼视觉特性的压缩算法，降低了传输带宽，更好实现了海量数据扫描成像映射。对数字驱动型OLED微显示器动态假轮廓问题进行量化分析，提出改善策略，为扫描驱动算法优化提供依据。针对硅基OLED器件的寿命问题，对硅基OLED器件的老化机理进行研究和实验，得到系列实验数据，提出一种基于恢复机理的OLED亮度衰减模型以实现OLED的寿命预测，并将该预测模型作为探索提高硅基OLED微显示器寿命性能的基础。从算法升级和设计优化的角度，将这三个层面有机整合，提出了具有超高清分辨率、超高像素密度以及高刷新率的硅基OLED微显示技术的设计理论和工程解决方案。基于0.18μm CMOS工艺，研究了全彩硅基OLED微显示器的设计方法，完成了整个设计过程，制作了硅基OLED微显示器的实验样品，分辨率2K×2K，刷新率120 Hz，最高亮度8000 cd/m2，对比度100000:1。课题发表国内外高水平论文22篇；参加国内外学术会议3次；申请国内外专利7篇，培养研究生16名，获得上海市科技进步二等奖一项，中国研究生电子设计竞赛2021年全国一等奖1项、三等奖1项、上海市二等奖1项。硅基OLED微显示器作为关键基础器件，技术可延伸至军事、医疗、工业、消费、商业、民生等各领域，应用前景广阔。课题为今后高性能硅基OLED微显示器的设计和批量化生产给出理论指导和工程化实现方法，目前已经初步实施了成果转化。