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    科技魔方

    中佛羅里達大學團隊分享:AR/VR先進LC技術方案,工作原理、潛在應用和未來挑戰

    AR/VR

    2022年06月23日

      AR和VR有望徹底改變我們感知數字信息和與之和與交互的方式,并成為下一個主要的計算平臺。盡管行業正在探索一系列不同的顯示方案,但由于亮度高、低功耗、易于彩色化和長壽命等一系列的優勢,不少廠商都把LC技術的視為一個重要的方向。

      在名為《Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: principles and applications》的論文中,美國中佛羅里達大學的團隊就介紹了一系列可用于AR/VR的先進LC技術方案,包括工作原理、潛在應用和未來挑戰。

      1. LCD

      LCD主要包含兩個組成要素:背光單元和LC面板。背光單元在LC面板提供均勻的照明,并且每個像素的透射率由薄膜晶體管(TFT)控制。在過去的五十年中,背光單元和LC面板都經歷了巨大的增長和顯著的提升。

      但對于VR系統,由于出現了眾多新的要求,直接采用傳統LCD作為光引擎存在一定的問題。

      VR頭顯一般通過放大鏡在用戶面前形成放大的虛擬圖像,從而產生沉浸式體驗。這種投影過程要求顯示面板具有遠高于直視顯示器的分辨率密度。

      人類視覺系統的視力為1 arcmin,然后6 K分辨率顯示器通常需要支持100度視場的VR頭顯。為了實現緊湊的外形,6 K × 6. K分辨率需要組裝在2–3英寸的面板之上,從而產生2000 PPI的微型顯示面板。另外,對于具有快速眼球運動的近眼系統,動態模糊變得十分嚴重和明顯,尤其是在游戲期間。

      基于上述要求,在VR頭顯中采用LCD作為光引擎時存在一定的挑戰。第一個挑戰是高分辨率密度導致的孔徑比降低。100 PPI(電視),300 PPI(筆記本電腦),600 PPI(智能手機)和1500 PPI(VR光引擎)的顯示器孔徑比分別為95%、86%、73%和38%。較小的孔徑比會降低光學效率,進而增加VR頭顯的功耗和熱效應。

      要減輕VR頭顯中的運動偽影,我們需要高幀速率顯示(≥120 Hz)和低占空比(≤20%)。所以,LC響應時間應足夠快,以支持高幀速率和低占空比。

      總的來說,由于小孔徑比和錯線問題,VR用LC面板存在低透射率的限制。如果我們進一步考慮濾色片和偏振器的吸收損失,VR用LC面板的總透光率僅為2%左右。所以,如何提高光學效率至關重要。

      2. 提升光學效率

      VR系統的總光學效率主要分為兩個環節:一個是面板效率,另一個是成像光學。上面已經討論了面板效率(Table 1),下面則重點介紹使用定向LCD背光提高光學系統效率。

      對于典型的Lambertian顯示器,只有一小部分光可以被眼球接收(圖3a綠色和黃色錐體),其余光則會浪費。這個系統由一個LC顯示器,一個焦距約為35mm的菲涅耳透鏡,以及一個直徑為4mm的圓形接收器(瞳孔大小)。圖3b中繪制了發射角度(y軸)和光效率之間的關系,這表明用戶的眼睛只能接收到發射光的一小部分。因此,可以通過優選定向背光來提高VR系統的光學效率。

      由于VR系統的體積有限,應用納米光柵、微透鏡陣列或反射微結構可以實現薄而緊湊的定向背光設計。

      定向背光的實現可以顯著提高整體光學效率,但這會導致嚴重的漸暈效應。如圖3a的綠色圓錐體所示,發射圓錐體的主光線與視窗的接收角度不匹配。

      圖3b顯示了不同像素位置(x軸)的光學效率??梢钥吹?,只有當發射角的主光線與接收角匹配時,才能達到最大效率。因此,在空間上控制發射角的方向對于保持高效率,并同時避免漸暈至關重要。

      為了解決這個問題,可以添加功能性光學薄膜,以便在空間上將顯示面板的輻射圖案與VR光學系統的接收錐匹配。通過使用定向背光,當像素位置遠離中心時,重影與信號能量的比率增加??臻g輻射模式調制器可以調制每個像素的局部輻射,避免接收偽影圖像。結果,重影與信號能量的比率降低。

      除了提高光學效率外,添加具有強度調制的功能膜有助于提高VR圖像質量。通常,LCD的對比度范圍為2500:1(FFS模式)到5000:1(MVA模式)。這種灰暗的狀態嚴重減損了用戶的沉浸式體驗。

      空間強度調制可以通過分區Mini LED背光實現。根據顯示的圖像,這種局部可調光背光可以在明亮圖像區域增強LED,在黑暗區域使其變暗。VR光引擎可以采用Mini LED背光技術,顯示HDR圖像,從而提供更好的沉浸式體驗。圖3c顯示了具有和不具有局部調光功能的圖像的圖像質量比較。

      從背光單元的角度來看,為了減輕漸暈偽影,要求每個局部調光區域的光分布均勻,并且相鄰區域之間的光串擾最小化。有研究人員通過用super-Gaussian函數描述了所需的光profile,并發現良好的光限制(冪約為4.5)有助于提高圖像質量。

      為了獲得所需的光profile,通??梢钥紤]兩種方法。

      一種是優化LED芯片幾何結構,在LED陣列頂部安裝散射光波導,并在LED外表面制造反射側壁和微結構。

      另一種方法是在背光單元中層壓光學薄膜,以在其進入LC面板之前形成light profile。

      基于這兩種方法,有研究人員提出了支持空間光強調制的新型Mini LED背光系統,以防止光串擾并保持分區的亮度和顏色均勻性。在軟件方面,可以通過局部調光算法,以系統優化Mini LED背光的LCD透射率和spatial profile。每個分區中的Mini LED的亮度由分區中最亮的像素決定。

      盡管可以保持足夠的亮度,但每幀亮度的劇烈變化可能會導致嚴重的閃爍和圖像偽影。另一方面,平均算法抑制每個區域的峰值亮度以避免所述圖像偽影,但高亮顯示的圖像可能會變得更暗和不太生動。為了解決這一難題,行業提出了大量關于改進Mini LED背光LCD圖像質量的新型局部調光算法。

      3. Mini LED背光LCD的驅動方法與功耗

      由于電池存儲有限,有效的驅動系統對于降低緊湊型VR頭顯的功耗和相關熱效應至關重要。為了驅動Mini LED背光,行業探索了有源矩陣(AM)和無源矩陣(PM)驅動方法。AM驅動方法將Mini LED與TFT背板集成,以控制每個區域的亮度,并減少所需的IC芯片數量。

      對于AM MiniLED背光,由于所需的驅動電壓存儲在電容器上,因此驅動電流可以長期保持恒定。所以,在實現所需亮度的同時,驅動電流較低。

      通過印刷電路板(PCB)直接將LCD面板與Mini LED集成的PM驅動方法是驅動Mini LED的更簡單方法。PM方法逐行驅動背光,由于缺乏存儲能力,每行中的迷你LED只驅動很短的時間。因此,為了獲得與AM驅動相同的亮度,PM方法要求Mini LED具有更高的電流。

      4. 用于AR/VR的LCoS器件

      與傳統的透射式TFT LCD相比,反射式LCoS面板結合了LC的電光效應和高性能硅CMOS電子器件,從而提供了高填充因子(>90%)、高分辨率、緊湊的形狀參數和高幀率。由于出色的光調制能力,僅振幅和相位LCoS器件都是AR/VR應用的重要光引擎。特別是,與其他相位調制器相比,純相位LCoS器件(空間光調制器/SLM)在多級相位調制、低驅動電壓和低成本方面脫穎而出。所以,大多數AR/VR應用的全息顯示器都是用SLM實現。

      典型的反射式LCoS器件由CMOS硅背板、像素化鋁反射器、LC層和銦錫氧化物(ITO)涂層的覆蓋玻璃組成。沉積在硅背板的鋁電極充當反射像素陣列。LC層夾在ITO玻璃基板和CMOS硅背板之間。

      當入射光穿過LC層時,可以獲得與電壓相關的相位延遲(對于幅度調制器)或相位變化(對于相位調制器)。對于投影系統中的振幅調制LCoS期間,LED光源發出非偏振光。

      對于基于LCoS的近眼系統,兩個主要要求是寬視場和高分辨率。這兩個因素相互關聯。在未放大的近眼系統中,視場等于最大衍射角的兩倍,視窗等于所用SLM的尺寸。

      圖5a顯示了視場和像素間距之間的關系。如果像素間距減小為1 µm,視場可加寬至約37度。如圖5b所示,可以以減小視窗尺寸為代價,為給定數量的像素增加視場。通過采用像素間距更小、像素更多的SLM,可以在保持相同視窗的同時獲得更寬的視窗?;谝陨戏治龊虯R/VR的要求,超高分辨率25400對應于1像素間距的PPI µm非常有必要。

      要實現超高分辨率LCoS面板,主要挑戰是CMOS背板和邊緣場效應(FFE)。對于第一個挑戰,我們需要建設支持更小特征尺寸的新LCoS鑄造廠,以便在超小像素中容納足夠的晶體管。由于CMOS背板能夠支持的電壓擺幅有限,所以需要具有較大介電各向異性的LC材料來降低所需的驅動電壓。布局優化同時有助于實現更小的像素尺寸。

      對于第二個挑戰,FFE是由相鄰像素上的不相等電壓引起。當像素間距與單元間距相當甚至更小時,FFE將變得更強,從而降低LCoS性能。

      對于SLM面板,FFE引起的相位擾動會降低衍射效率并加劇重建誤差。與振幅LCoS器件相比,由于其更厚的單元間隙和更嚴格的要求,僅相位LCoS器件的FFE緩解更具挑戰性。

      為了實現1µm間距的相位調制器,有研究人員提出了一種介質屏蔽墻結構,但器件制造具有挑戰性。除了基于材料和設備的方法外,行業提出了基于模型的方法或基于算法的方法來補償像素串擾。然而,當像素間距變得可比甚至小于單元間距時,有必要對LC動力學進行嚴格的模擬。盡管經過數十年的努力,寬視場全息顯示的超高分辨率相位調制器依然有待開發。

      5. 用于AR/VR的SLMs

      高分辨率LCoS SLM可以直接控制照明波前的特性,從而支持全息視圖。生成的全息圖像能夠如同真實3D對象一樣顯示出自然聚焦和模糊效果。這樣的SLM對于AR/VR顯示特別有用,可以為3D場景提供正確的深度提示。

      盡管利用SLM實現近眼顯示的全息圖令人鼓舞,但全息圖繪制需要復雜的計算和耗時。在近眼顯示器中進一步使用SLM的另一個問題是有限的Etendue光學擴展量。目前,SLM的最小像素尺寸約為3 µm(通常為3–12 µm),所以在平面波照明下,衍射角通常<5°。典型的SLM面板尺寸僅為0.5–1英寸,因此,需要平衡視窗尺寸和視場之間的權衡。

      由于當今硬件的成本相對較高且面板尺寸有限,使用SLM作為AR/VR顯示器的光引擎尚不現實。然而,SLM可以作為額外的助推器,與傳統的顯示器(如LCD)相結合,從而克服VAC視覺輻輳調節沖突問題。由于其相位調制能力,SLM可以作為空間可控透鏡放置在光路中。

      6. LC平面光學

      除了將圖像調制為顯示器或SLM外,LCs同時表現出其他重要的特性,并可用于創建新的光子器件LCOEs。LCOEs具有超薄的形狀參數、幾乎100%的效率、強偏振選擇性和開關能力,所以它在AR/VR系統中顯示出非常出色的應用前景。

      6.1 透射式LC平面光學

      在透射式LCOE中,我們將重點關注幾何相位光學元件。由于相位延遲取決于LC對準,透射型光學元件能夠在薄層內實現快速相位調制的主要原因。透射式LCOE顯示出非常強的偏振選擇性,并且可以分別作為波片、光柵和透鏡工作,具體取決于LC對準。圖8總結了每個元件的極化響應。

      作為一種各向異性光學材料,LC可以為偏振光引入相位延遲,因此它是波片(或相位延遲器)的一個潛在的候選者。無緣LC波片是一種經過紫外線穩定處理的聚合物薄膜,具有超薄、輕質的特點。有源LC波片則可通過施加電壓在開和關狀態之間切換。

      在圖9a所示系統中,基于LC的有源HWP與無源LC透鏡一起工作。由于LC透鏡與偏振有關,因此切換有源HWP將旋轉偏振狀態,從而改變透光率。如果無源LC透鏡被偏振選擇光柵取代,則焦平面調制將轉向輸出光束角度偏移以進行光束控制,如圖9b所示。

      要獲得寬帶有源波片,最簡單的設備是TN cell。另外,我們可以利用負色散LC材料制作寬帶有源波片,以補償可見光范圍內與波長相關的相位延遲。Merck已開發出用于被動LC波片的負色散LC單體(如RMM 1705)。然而,對于具有有源LC波片的AR/VR系統中的多路復用和轉向應用,響應時間需要很快(~ 1 ms)。目前,行業尚未出現具有如此快響應時間的負色散LC。

      另一種方法是構建多扭曲結構。根據有源驅動的要求,每個扭曲層需要兩個ITO玻璃基板,這大大增加了系統的厚度和重量。

      6.2 反射式LC平面光學

      在反射LCOE中,反射機制基于所用膽甾相液晶(CLC)的布拉格反射。因此,這種類型的衍射光學元件又稱為“厚”光學元件。這種反射LCOE的效率與器件厚度密切相關。為了建立布拉格反射,LC層的最小厚度約為10 pitch。另外,通過摻雜一定的手性摻雜劑,可以實現螺旋CLC結構。為了適應寬視角和寬帶,我們可以應用更復雜的結構,如多層和梯度間距。如圖12所示,紅色虛線連接LC控制器的短軸,并表示布拉格表面。根據LC對準產生的不同布拉格表面,這種反射LCOE表現出很強的偏振選擇性,可以分別用作反射器、光柵和軸上/軸外透鏡。圖12中總結了每個元件的極化響應。

      CLC反射器(圖12a)具有簡單的結構,但可用于AR/VR的各種應用。在VR Pancake結構中,CLC反射器可以取代QWP和反射偏振器,以獲得更簡單的結構。另外,通過使用CLC反射器將兩個圖像編碼為正交圓極化,可以實現注視點VR顯示器。

      如圖13a所示,經歷不同路徑的圖像經歷不同的放大率,所以注視點圖像的空間分辨率可以大大增強。利用偏振選擇性,CLC反射器同時可以在AR系統中生成兩條光路。如圖13b所示,兩個反射器分別按順序放置,以產生兩個不同的屈光度和光路,其中每個光路對應一個圖像深度。通過使用多個CLC反射器,可以產生更多的圖像深度。

      通過在CLC反射器中引入一個線性變化的相位,可以得到一個反射式LC光柵(稱為偏振體光柵PVG)。這種線性變化的相位可以通過曲面對齊生成。與CLC反射器相比,PVG具有更復雜的結構,其中光對準層上的偶氮化合物沿水平軸呈現正弦圖案。圖12b描述了PVG結構的LC分布。

      通過向CLC反射器引入拋物面變化的相位,可以獲得反射LC透鏡。透鏡相位profile可以疊加到平面CLC,以形成軸上或軸外CLC透鏡(圖12c,d)。與CLC反射器一樣,CLC透鏡依然遵循偏振選擇性規則,但當入射光從不同profile入射時,其會呈現出相反的相位profile。換句話說,具有目標偏振的入射光可以會聚或發散,這取決于光束進入哪一側。利用CLC的偏振選擇性,可以將多個CLC膜堆疊在一起,以執行不同的功能,從而實現廣泛的應用。

      對于VR系統,Pancake設計的CLC反射器可以進一步替換為同軸CLC透鏡。這種CLC透鏡為優化光學像差提供了更多的自由度。折射和衍射元件的組合由于其相反的色散行為而抑制了色差。

      如果將所有折射光學元件替換為HOE(圖15a),則Pancake結構可以進一步演變為更緊湊的形狀參數。為了適應HOE的角度選擇性和波長選擇性,單色定向背光是首選的光引擎。另外,軸上CLC透鏡可以在投影AR系統中實現,以用作光學組合器。

      在麥克斯韋系統中,除了生成或切換多個視點外,同時可以實現注視匹配功能以適應眼睛旋轉。在注視匹配的場景中,出瞳應與瞳孔對齊。換句話說,主要光線應該與眼睛注視的方向相匹配。

      為了滿足這一要求,應實時調節成像耦合器的入射光角度。有研究人員提出了一種機械移位器來移動成像耦合器的水平位置。所述方法可以直接實現注視匹配,但機械移位器增加了系統的復雜性和重量。

      由于全息透鏡耦合器的探測波與曝光過程中使用的參考波的波前不匹配,當相同的全息透鏡耦合器移動時,像差會出現。有人通過使用多個具有不同圖案的離軸CLC透鏡來適應不同的入射光方向,并開發了一種注視匹配的麥克斯韋系統。

      如圖16c所示,三個透鏡設計用于三個出瞳,以在眼睛旋轉時與眼睛瞳孔位置對齊。由于每個透鏡可以針對一個入射角進行專門設計,所以像差可以忽略不計。然而,如果需要更多的視點來覆蓋大范圍的眼球旋轉,這種方法可能會變得更笨重。為了使其合理實用,可以在視點數量和注視匹配程度之間進行一定的折衷。盡管麥克斯韋顯示器僅限于一個小視窗,但波導框架可以支撐一個大視窗。

      通過將這兩個優點結合在一起,有人提出了一種掃描波導顯示器,通過部署一個離軸CLC透鏡陣列作為輸出耦合器來實現寬水平視窗(~ 80°)(圖16d)。準直光通過離軸CLC透鏡陣列進行外耦合,然后形成多個視點。在這個框架中,視窗不再受波導折射率的限制,而是完全由每個透鏡元件的f數決定。由于強大的CLC對準,離軸CLC透鏡可以達到較小的f數(~ 0.6)。

      7. 結論與展望

      AR/VR技術與先進的LC期間相結合,這已成為行業的一個重要探索方向。為了在可穿戴AR/VR頭顯中實現緊湊的形狀參數和高圖像質量,先進的LC期間發揮著重要作用。器件工程和制造工藝的進一步發展有望提高AR/VR應用中LCD和LCoS SLM的性能。新興的LC平面光學器件具有超薄的形狀因子和高效的光學特性。所述基于LC的先進組件對于系統地提高AR/VR顯示器的圖像質量和形狀參數起著關鍵的作用。

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    來源:映維網

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