Questi minuscoli pixel sono pronti a conquistare la realtà aumentata

I LED e le loro controparti organiche stanno diventando davvero minuscoli. Questo potrebbe essere il momento che le aziende di AR e VR stavano aspettando.

Google Glass, un prototipo di auricolare a realtà aumentata rilasciato nell’aprile 2013, aveva tutte le carte in regola per diventare un successo. Prometteva un accesso intuitivo e a mani libere alle funzioni più importanti di uno smartphone: registrazione video, navigazione e persino e-mail. Dimenticate touch screen e pulsanti: il futuro dell’informatica era sul vostro volto.

È stato un disastro.

Pur essendo bello nella sua concezione, Glass era scomodo da indossare e faticava a fornire un’immagine nitida e luminosa all’aperto. Poi è arrivato il contraccolpo del “buco di vetro”. Le dimensioni del display rendevano gli indossatori facilmente individuabili in mezzo alla folla e, in almeno due occasioni, hanno portato a scontri fisici.

Le implicazioni erano chiare. La realtà aumentata (AR) a mani libere era divertente sulla carta, ma con l’acuirsi delle tensioni sull’influenza delle Big Tech, non riusciva a superare lo stigma di far sembrare le persone comparse in un film cyberpunk.

Ora, più di dieci anni dopo, il futuro immaginato da Google – e molto di più – sta per diventare realtà. I nuovi minuscoli display, alcuni abbastanza piccoli da stare sulla punta delle dita, conterranno micro-LED e micro-OLED (LED organici). Sono destinati a fornire un’ondata di cuffie che potrebbero convertire anche i più accaniti scettici dell’AR.

Il Vision Pro di Apple, la cui uscita è prevista per il 2024, guiderà questo cambiamento, anche se potrebbe non scuotere l’estetica cyberpunk. Le cuffie completamente chiuse, che ricordano vagamente gli occhiali da sci, sono destinate a un mix di AR e realtà virtuale (VR) che Apple chiama “spatial computing”.

Il Vision Pro evita alcuni dei problemi incontrati da Google Glass restringendo il campo di applicazione del prodotto. Apple spera che le cuffie possano sostituire un computer, un tablet e un televisore, anche se solo all’interno dei confini di casa o dell’ufficio.

La vera innovazione è all’interno: una coppia di display micro-OLED non più grandi di un francobollo che racchiudono la risoluzione 4K in uno schermo di appena 1,3 pollici quadrati. Ogni display contiene più di 11 milioni di pixel distanziati di soli 6,3 micrometri, meno del diametro di un globulo rosso umano.

È un aggiornamento spettacolare. Il Vision Pro di Apple, come il Meta Quest 3 e l’HTC Vive XR Elite, utilizza telecamere per replicare il mondo esterno su display interni, una tecnica nota come realtà mista pass-through. Ma i suoi concorrenti utilizzano schermi a cristalli liquidi che non hanno la nitidezza necessaria per riprodurre fedelmente il mondo circostante, quindi operazioni che dovrebbero essere semplici, come dare un’occhiata a una nota scritta a mano, possono risultare difficili.

“Penso che nel complesso abbiano raggiunto un risultato impressionante”, afferma Anshel Sag, analista principale presso Moor Insights & Strategy. “Questo è l’headset che si costruisce se si vuole che la gente capisca veramente e pienamente qual è il massimo potenziale dell’AR e della VR”. Sag ritiene che i singoli pixel dei display Vision Pro saranno invisibili alla maggior parte delle persone, “a meno che non si abbia un’acutezza visiva estremamente impressionante, come 20/10”.

Si ritiene che i display ad alta densità di pixel del Vision Pro siano il risultato di anni di lavoro del Semiconductor Solutions Group di Sony. Le avventure della divisione micro-OLED erano originariamente incentrate su mirini digitali colorati ad alta risoluzione per fotocamere come la SLT-A77 di Sony. Il gruppo li ha realizzati anche per un dispositivo montato sulla testa, l’HMZ-T1 Personal 3D Viewer, che Sony ha lanciato nel 2011, proponendolo come un’esperienza simile a quella di un cinema per la visione di video.

Fortunatamente, i micro-LED offrono una soluzione.

Veramente microscopico

I display micro-OLED e micro-LED differiscono nei dettagli, ma la loro produzione presenta ampie analogie. Entrambi accoppiano un “backplane” di silicio, che fornisce struttura e alimentazione, con un “frontplane” di display che crea luce visibile. Ciascuno di essi prende il nome dal tipo di pannello frontale utilizzato: uno strato di materiale organico che emette luce in risposta a una corrente elettrica nel caso dei display micro-OLED e una serie molto piccola di diodi elettronici realizzati con semiconduttori nel caso dei micro-LED.

La tecnologia dei display micro-LED non è matura come quella dei micro-OLED, ma le possibilità sono allettanti. “Il micro-LED è il meglio di tutti i mondi”, afferma Murray. “Ha la migliore qualità di visualizzazione, è longevo, non ha problemi di burn-in, ha un’alta luminosità che si può controllare… è lì che sta andando il futuro”.

Mojo Vision, un’azienda di tecnologia di visualizzazione con sede a Saratoga, in California, è stata tra le prime società a intuire il potenziale dei LED nei dispositivi di piccole dimensioni. Nel 2020 ha fatto scalpore una lente a contatto con un display AR flessibile e trasparente. Da allora l’azienda ha abbandonato la lente a contatto per concentrarsi solo sul display e, nel 2023, Mojo Vision ha dimostrato la presenza di display a micro-LED con la sorprendente risoluzione di 28.000 pixel per pollice. Ciò equivale a un pixel pitch – la distanza tra i centri di due pixel adiacenti – di soli 1,87 micrometri, più piccolo di alcuni batteri e un terzo delle dimensioni di quello che si trova nel Vision Pro di Apple.

Questa estrema densità di pixel è il risultato di un cambiamento fondamentale nella progettazione dei micro-LED. I primi display a micro-LED sono stati realizzati con una tecnica chiamata “trasferimento di massa”. I LED rossi, blu e verdi venivano prodotti su wafer e trasferiti uno a uno su un substrato di visualizzazione (una tecnica che viene ancora utilizzata per realizzare display più grandi). Ma i piccoli array di micro-LED, come quelli prodotti da Mojo Vision, adottano un approccio monolitico: i micro-LED e il backplane di silicio sono incollati in una pipeline di produzione simile a quella utilizzata per produrre i chip dei computer più avanzati.

La maggior parte dei display monolitici a micro-LED sono attualmente monocromatici, ovvero visualizzano un solo colore (solitamente rosso, blu o verde). Ma i display a micro-LED a colori sono dietro l’angolo. Mojo Vision spera di avere un prototipo di micro-LED a colori pronto per l’inizio del 2024 e uno dei suoi concorrenti, Jade Bird Displays di Shanghai (spesso indicato con le sue iniziali, JBD), ha dimostrato un prototipo funzionale di micro-LED a colori con un pixel pitch di cinque micrometri, più grande di quello che Mojo Vision spera di ottenere, ma più piccolo del Vision Pro di Apple.

Il vantaggio principale di pixel più piccoli e più densi è la riduzione delle dimensioni del display a qualsiasi risoluzione, che a sua volta riduce le dimensioni e il peso di un auricolare AR. La serie monocromatica AmuLED di JBD, ad esempio, raggiunge una risoluzione di 640 x 480 su un display che una formica carpentiere potrebbe portare sulla schiena, con tanto spazio a disposizione.

I micro-LED ottengono anche un’enorme vittoria in termini di luminosità. La gamma va da 1,8 milioni a 3 milioni di nits, dice Murray: “Ti strapperà letteralmente la retina dall’occhio e ti accecherà a vita”. I display OLED più luminosi, in confronto, raggiungono attualmente un picco di circa 15.000 nits.

La possibilità di danni permanenti agli occhi potrebbe sembrare un vantaggio strano, ma non c’è da preoccuparsi: nessuno guarderà direttamente i micro-LED. Posizionare un display direttamente di fronte bloccherebbe la visione del mondo reale da parte di chi lo indossa, quindi molti dispositivi AR posizionano il display lateralmente. Le guide d’onda reindirizzano la luce del display sfalsato per renderlo visibile. Questo processo può rivelarsi tremendamente inefficiente, soprattutto per i moderni occhiali AR come Magic Leap 2 e Vuzix Blade 2, che focalizzano e reindirizzano la luce attraverso più guide d’onda disposte come specchi in una casa dei divertimenti.

“L’efficienza è qualcosa come il 5-10%”, afferma Michael Miller, responsabile hardware per la realtà aumentata di Niantic. “Se avete un display da 3.000 nits, otterrete 300 nits. Si può mettere una lente scura per poterlo usare all’aperto, ma non è sufficiente”.

I display costruiti con micro-LED dovrebbero essere in grado di attraversare una serie di guide d’onda ed essere ancora abbastanza luminosi da poter essere visti su lenti trasparenti che assomigliano a quelle da vista.

Prestazioni eccezionali, costo eccezionale

Le cuffie con display all’avanguardia, come l’imminente Vision Pro, superano le prestazioni delle cuffie VR di massa. Sono anche più costose: il Vision Pro sarà venduto a 3.499 dollari.

I display meritano una parte della colpa.

Secondo Murray, la produzione di ogni display micro-OLED può costare 400 dollari. “Se state costruendo un Meta Quest, o qualcosa di simile, ve ne servono due”, dice, “e il costo finale è già di 800 dollari”. Il prezzo elevato di display così piccoli può sembrare strano. Dopo tutto, i display OLED sono una tecnologia matura presente in centinaia di milioni di smartphone, tablet e televisori in tutto il mondo. I LED sono ancora più diffusi: basta premere un interruttore della luce per vederne uno in azione. Si tratta di tecnologie ben conosciute, presenti in molti dispositivi accessibili.

Su questa scala ridotta, tuttavia, la costruzione di un display non è più un lavoro da fare in fabbrica. Richiede una fonderia, un impianto specializzato nella produzione di chip.

I costi potrebbero diminuire quando i produttori passeranno a costruire i display su wafer di silicio più grandi. I wafer più grandi sono più costosi, ma ognuno di essi può contenere un numero maggiore di display, il che riduce il costo di ogni singolo display. I produttori di micro-OLED stanno passando da wafer da otto pollici a wafer da 12 pollici, che è lo standard nella produzione di silicio ad alto volume e all’avanguardia. La produzione di micro-LED è meno matura e alcune aziende si affidano a wafer inefficienti da quattro pollici.

Produrre display utilizzabili con le densità di pixel estreme che i micro-OLED e i micro-LED possono raggiungere è una sfida. Il problema fondamentale è un difetto che probabilmente avrete visto più di una volta: il pixel “morto”. Un pixel morto visualizza un solo colore, spesso un nero perfetto o un bianco brillante e accecante, e si rifiuta di rispondere ai segnali del display. Evitare questo difetto è già difficile per i display degli smartphone, dove i pixel possono essere separati da 500 micrometri. Con i micro-LED monolitici, i display più piccoli e più densamente impacchettati mai prodotti, il minimo difetto nel silicio o la più piccola scheggia di detriti possono rendere inutilizzabile un display.

“Ecco la matematica che fa paura”, dice Murray. “La quantità di display utilizzabili dopo aver finito è probabilmente un decimo del silicio utilizzabile con cui si è iniziato”. In altre parole, più del 90% di un wafer di silicio potrebbe essere sprecato. Eppure, l’azienda che produce i display a micro-LED continua a pagare per l’intero wafer, aggiungendo costi enormi a ogni display.

I pionieri dei micro-LED stanno investendo in strumenti e processi che riducono le fasi di produzione. Si tratta di un aspetto critico, perché più complesso è il processo produttivo, più alto è il rischio di introdurre un difetto.

Soeren Steudel, CTO dell’azienda belga Micledi, sviluppatrice di display, è molto concentrato su questo problema. L’azienda ha stretto una partnership con il produttore di semiconduttori GlobalFoundries e intende spostare la produzione in loco per ridurre i costi. “Il micro-LED non è ancora un prodotto maturo. Era un sogno irrealizzabile 10 anni fa, e ora le prime aziende hanno delle dimostrazioni”, afferma Steudel. “La domanda ora è: come si può produrre in volume senza difetti?”.

La realtà aumentata diventa finalmente mainstream

La difficoltà di produrre display micro-OLED e micro-LED è elevata, ma vale la pena risolverla. Questi display potrebbero rendere l’AR uno spazio virtuale a cui le persone possono accedere facilmente e rapidamente nella loro vita quotidiana, non solo perché i display appaiono più realistici, ma anche perché i display piccoli, sottili e di alta qualità offrono agli ingegneri una maggiore libertà di personalizzare l’aspetto e la sensazione di un auricolare.

L’impatto dei micro-OLED è già evidente. Kopin produce display per il modello CR3 di HMDmd, una cuffia progettata per i chirurghi, e per progetti di difesa, come un mirino AR per il carro armato principale M1 Abrams. XReal, un altro pioniere dell’AR, ha recentemente rilasciato le cuffie Air 2, dotate di display micro-OLED di Sony.

Le possibilità per il futuro potrebbero essere ancora più interessanti. L’estrema luminosità, le dimensioni ridotte e il basso consumo energetico dei display potrebbero realizzare il sogno di occhiali AR leggeri, attraenti e completamente trasparenti che non si distinguono immediatamente dagli occhiali tradizionali.

“La gente vuole passare alla realtà aumentata di consumo. E AR consumer significa avere occhiali leggeri, forse 50 grammi, e non sembrare Darth Vader”, dice Steudel. Vuzix, leader nel settore delle cuffie VR leggere, ha raggiunto questo obiettivo con Ultralite, una piattaforma prototipo presentata nel 2023 che utilizza la tecnologia micro-LED per fornire occhiali eleganti e sottili che pesano solo 38 grammi.

La realtà aumentata ha ancora bisogno del suo “momento iPhone”: il debutto di un dispositivo facile da usare che offra vantaggi irresistibili. Display migliori renderanno la AR – se mai verrà adottata su larga scala – luminosa, nitida, convincente e soprattutto piacevole da usare.

Matthew S. Smith è un giornalista tecnologico freelance di Portland, Oregon.