中佛罗里达大学团队分享:AR/VR先进LC技术方案,工作原理、潜在应用和未来挑战

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介绍了一系列可用于AR/VR的先进LC技术方案

映维网Nweon 2022年06月23日)AR和VR有望彻底改变我们感知数字信息和与之和与交互的方式,并成为下一个主要的计算平台。尽管行业正在探索一系列不同的显示方案,但由于亮度高、低功耗、易于彩色化和长寿命等一系列的优势,不少厂商都把LC技术的视为一个重要的方向。

在名为《Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: principles and applications》的论文中,美国中佛罗里达大学的团队就介绍了一系列可用于AR/VR的先进LC技术方案,包括工作原理、潜在应用和未来挑战。

1. LCD

LCD主要包含两个组成要素:背光单元和LC面板。背光单元在LC面板提供均匀的照明,并且每个像素的透射率由薄膜晶体管(TFT)控制。在过去的五十年中,背光单元和LC面板都经历了巨大的增长和显著的提升。

但对于VR系统,由于出现了众多新的要求,直接采用传统LCD作为光引擎存在一定的问题。

VR头显一般通过放大镜在用户面前形成放大的虚拟图像,从而产生沉浸式体验。这种投影过程要求显示面板具有远高于直视显示器的分辨率密度。

人类视觉系统的视力为1 arcmin,然后6 K分辨率显示器通常需要支持100度视场的VR头显。为了实现紧凑的外形,6 K × 6. K分辨率需要组装在2–3英寸的面板之上,从而产生2000 PPI的微型显示面板。另外,对于具有快速眼球运动的近眼系统,动态模糊变得十分严重和明显,尤其是在游戏期间。

基于上述要求,在VR头显中采用LCD作为光引擎时存在一定的挑战。第一个挑战是高分辨率密度导致的孔径比降低。100 PPI(电视),300 PPI(笔记本电脑),600 PPI(智能手机)和1500 PPI(VR光引擎)的显示器孔径比分别为95%、86%、73%和38%。较小的孔径比会降低光学效率,进而增加VR头显的功耗和热效应。

要减轻VR头显中的运动伪影,我们需要高帧速率显示(≥120 Hz)和低占空比(≤20%)。所以,LC响应时间应足够快,以支持高帧速率和低占空比。

总的来说,由于小孔径比和错线问题,VR用LC面板存在低透射率的限制。如果我们进一步考虑滤色片和偏振器的吸收损失,VR用LC面板的总透光率仅为2%左右。所以,如何提高光学效率至关重要。

2. 提升光学效率

VR系统的总光学效率主要分为两个环节:一个是面板效率,另一个是成像光学。上面已经讨论了面板效率(Table 1),下面则重点介绍使用定向LCD背光提高光学系统效率。

对于典型的Lambertian显示器,只有一小部分光可以被眼球接收(图3a绿色和黄色锥体),其余光则会浪费。这个系统由一个LC显示器,一个焦距约为35mm的菲涅耳透镜,以及一个直径为4mm的圆形接收器(瞳孔大小)。图3b中绘制了发射角度(y轴)和光效率之间的关系,这表明用户的眼睛只能接收到发射光的一小部分。因此,可以通过优选定向背光来提高VR系统的光学效率。

由于VR系统的体积有限,应用纳米光栅、微透镜阵列或反射微结构可以实现薄而紧凑的定向背光设计。

定向背光的实现可以显著提高整体光学效率,但这会导致严重的渐晕效应。如图3a的绿色圆锥体所示,发射圆锥体的主光线与视窗的接收角度不匹配。

图3b显示了不同像素位置(x轴)的光学效率。可以看到,只有当发射角的主光线与接收角匹配时,才能达到最大效率。因此,在空间上控制发射角的方向对于保持高效率,并同时避免渐晕至关重要。

为了解决这个问题,可以添加功能性光学薄膜,以便在空间上将显示面板的辐射图案与VR光学系统的接收锥匹配。通过使用定向背光,当像素位置远离中心时,重影与信号能量的比率增加。空间辐射模式调制器可以调制每个像素的局部辐射,避免接收伪影图像。结果,重影与信号能量的比率降低。

除了提高光学效率外,添加具有强度调制的功能膜有助于提高VR图像质量。通常,LCD的对比度范围为2500:1(FFS模式)到5000:1(MVA模式)。这种灰暗的状态严重减损了用户的沉浸式体验。

空间强度调制可以通过分区Mini LED背光实现。根据显示的图像,这种局部可调光背光可以在明亮图像区域增强LED,在黑暗区域使其变暗。VR光引擎可以采用Mini LED背光技术,显示HDR图像,从而提供更好的沉浸式体验。图3c显示了具有和不具有局部调光功能的图像的图像质量比较。

从背光单元的角度来看,为了减轻渐晕伪影,要求每个局部调光区域的光分布均匀,并且相邻区域之间的光串扰最小化。有研究人员通过用super-Gaussian函数描述了所需的光profile,并发现良好的光限制(幂约为4.5)有助于提高图像质量。

为了获得所需的光profile,通常可以考虑两种方法。

  • 一种是优化LED芯片几何结构,在LED阵列顶部安装散射光波导,并在LED外表面制造反射侧壁和微结构。

  • 另一种方法是在背光单元中层压光学薄膜,以在其进入LC面板之前形成light profile。

基于这两种方法,有研究人员提出了支持空间光强调制的新型Mini LED背光系统,以防止光串扰并保持分区的亮度和颜色均匀性。在软件方面,可以通过局部调光算法,以系统优化Mini LED背光的LCD透射率和spatial profile。每个分区中的Mini LED的亮度由分区中最亮的像素决定。

尽管可以保持足够的亮度,但每帧亮度的剧烈变化可能会导致严重的闪烁和图像伪影。另一方面,平均算法抑制每个区域的峰值亮度以避免所述图像伪影,但高亮显示的图像可能会变得更暗和不太生动。为了解决这一难题,行业提出了大量关于改进Mini LED背光LCD图像质量的新型局部调光算法。

3. Mini LED背光LCD的驱动方法与功耗

由于电池存储有限,有效的驱动系统对于降低紧凑型VR头显的功耗和相关热效应至关重要。为了驱动Mini LED背光,行业探索了有源矩阵(AM)和无源矩阵(PM)驱动方法。AM驱动方法将Mini LED与TFT背板集成,以控制每个区域的亮度,并减少所需的IC芯片数量。

对于AM MiniLED背光,由于所需的驱动电压存储在电容器上,因此驱动电流可以长期保持恒定。所以,在实现所需亮度的同时,驱动电流较低。

通过印刷电路板(PCB)直接将LCD面板与Mini LED集成的PM驱动方法是驱动Mini LED的更简单方法。PM方法逐行驱动背光,由于缺乏存储能力,每行中的迷你LED只驱动很短的时间。因此,为了获得与AM驱动相同的亮度,PM方法要求Mini LED具有更高的电流。

4. 用于AR/VR的LCoS器件

与传统的透射式TFT LCD相比,反射式LCoS面板结合了LC的电光效应和高性能硅CMOS电子器件,从而提供了高填充因子(>90%)、高分辨率、紧凑的形状参数和高帧率。由于出色的光调制能力,仅振幅和相位LCoS器件都是AR/VR应用的重要光引擎。特别是,与其他相位调制器相比,纯相位LCoS器件(空间光调制器/SLM)在多级相位调制、低驱动电压和低成本方面脱颖而出。所以,大多数AR/VR应用的全息显示器都是用SLM实现。

典型的反射式LCoS器件由CMOS硅背板、像素化铝反射器、LC层和铟锡氧化物(ITO)涂层的覆盖玻璃组成。沉积在硅背板的铝电极充当反射像素阵列。LC层夹在ITO玻璃基板和CMOS硅背板之间。

当入射光穿过LC层时,可以获得与电压相关的相位延迟(对于幅度调制器)或相位变化(对于相位调制器)。对于投影系统中的振幅调制LCoS期间,LED光源发出非偏振光。

对于基于LCoS的近眼系统,两个主要要求是宽视场和高分辨率。这两个因素相互关联。在未放大的近眼系统中,视场等于最大衍射角的两倍,视窗等于所用SLM的尺寸。

图5a显示了视场和像素间距之间的关系。如果像素间距减小为1 µm,视场可加宽至约37度。如图5b所示,可以以减小视窗尺寸为代价,为给定数量的像素增加视场。通过采用像素间距更小、像素更多的SLM,可以在保持相同视窗的同时获得更宽的视窗。基于以上分析和AR/VR的要求,超高分辨率25400对应于1像素间距的PPI µm非常有必要。

要实现超高分辨率LCoS面板,主要挑战是CMOS背板和边缘场效应(FFE)。对于第一个挑战,我们需要建设支持更小特征尺寸的新LCoS铸造厂,以便在超小像素中容纳足够的晶体管。由于CMOS背板能够支持的电压摆幅有限,所以需要具有较大介电各向异性的LC材料来降低所需的驱动电压。布局优化同时有助于实现更小的像素尺寸。

对于第二个挑战,FFE是由相邻像素上的不相等电压引起。当像素间距与单元间距相当甚至更小时,FFE将变得更强,从而降低LCoS性能。

对于SLM面板,FFE引起的相位扰动会降低衍射效率并加剧重建误差。与振幅LCoS器件相比,由于其更厚的单元间隙和更严格的要求,仅相位LCoS器件的FFE缓解更具挑战性。

为了实现1µm间距的相位调制器,有研究人员提出了一种介质屏蔽墙结构,但器件制造具有挑战性。除了基于材料和设备的方法外,行业提出了基于模型的方法或基于算法的方法来补偿像素串扰。然而,当像素间距变得可比甚至小于单元间距时,有必要对LC动力学进行严格的模拟。尽管经过数十年的努力,宽视场全息显示的超高分辨率相位调制器依然有待开发。

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,从而支持全息视图。生成的全息图像能够如同真实3D对象一样显示出自然聚焦和模糊效果。这样的SLM对于AR/VR显示特别有用,可以为3D场景提供正确的深度提示。

尽管利用SLM实现近眼显示的全息图令人鼓舞,但全息图绘制需要复杂的计算和耗时。在近眼显示器中进一步使用SLM的另一个问题是有限的Etendue光学扩展量。目前,SLM的最小像素尺寸约为3 µm(通常为3–12 µm),所以在平面波照明下,衍射角通常<5°。典型的SLM面板尺寸仅为0.5–1英寸,因此,需要平衡视窗尺寸和视场之间的权衡。

由于当今硬件的成本相对较高且面板尺寸有限,使用SLM作为AR/VR显示器的光引擎尚不现实。然而,SLM可以作为额外的助推器,与传统的显示器(如LCD)相结合,从而克服VAC视觉辐辏调节冲突问题。由于其相位调制能力,SLM可以作为空间可控透镜放置在光路中。

6. LC平面光学

除了将图像调制为显示器或SLM外,LCs同时表现出其他重要的特性,并可用于创建新的光子器件LCOEs。LCOEs具有超薄的形状参数、几乎100%的效率、强偏振选择性和开关能力,所以它在AR/VR系统中显示出非常出色的应用前景。

6.1 透射式LC平面光学

在透射式LCOE中,我们将重点关注几何相位光学元件。由于相位延迟取决于LC对准,透射型光学元件能够在薄层内实现快速相位调制的主要原因。透射式LCOE显示出非常强的偏振选择性,并且可以分别作为波片、光栅和透镜工作,具体取决于LC对准。图8总结了每个元件的极化响应。

作为一种各向异性光学材料,LC可以为偏振光引入相位延迟,因此它是波片(或相位延迟器)的一个潜在的候选者。无缘LC波片是一种经过紫外线稳定处理的聚合物薄膜,具有超薄、轻质的特点。有源LC波片则可通过施加电压在开和关状态之间切换。

在图9a所示系统中,基于LC的有源HWP与无源LC透镜一起工作。由于LC透镜与偏振有关,因此切换有源HWP将旋转偏振状态,从而改变透光率。如果无源LC透镜被偏振选择光栅取代,则焦平面调制将转向输出光束角度偏移以进行光束控制,如图9b所示。

要获得宽带有源波片,最简单的设备是TN cell。另外,我们可以利用负色散LC材料制作宽带有源波片,以补偿可见光范围内与波长相关的相位延迟。Merck已开发出用于被动LC波片的负色散LC单体(如RMM 1705)。然而,对于具有有源LC波片的AR/VR系统中的多路复用和转向应用,响应时间需要很快(~ 1 ms)。目前,行业尚未出现具有如此快响应时间的负色散LC。

另一种方法是构建多扭曲结构。根据有源驱动的要求,每个扭曲层需要两个ITO玻璃基板,这大大增加了系统的厚度和重量。

6.2 反射式LC平面光学

在反射LCOE中,反射机制基于所用胆甾相液晶(CLC)的布拉格反射。因此,这种类型的衍射光学元件又称为“厚”光学元件。这种反射LCOE的效率与器件厚度密切相关。为了建立布拉格反射,LC层的最小厚度约为10 pitch。另外,通过掺杂一定的手性掺杂剂,可以实现螺旋CLC结构。为了适应宽视角和宽带,我们可以应用更复杂的结构,如多层和梯度间距。如图12所示,红色虚线连接LC控制器的短轴,并表示布拉格表面。根据LC对准产生的不同布拉格表面,这种反射LCOE表现出很强的偏振选择性,可以分别用作反射器、光栅和轴上/轴外透镜。图12中总结了每个元件的极化响应。

CLC反射器(图12a)具有简单的结构,但可用于AR/VR的各种应用。在VR Pancake结构中,CLC反射器可以取代QWP和反射偏振器,以获得更简单的结构。另外,通过使用CLC反射器将两个图像编码为正交圆极化,可以实现注视点VR显示器。

如图13a所示,经历不同路径的图像经历不同的放大率,所以注视点图像的空间分辨率可以大大增强。利用偏振选择性,CLC反射器同时可以在AR系统中生成两条光路。如图13b所示,两个反射器分别按顺序放置,以产生两个不同的屈光度和光路,其中每个光路对应一个图像深度。通过使用多个CLC反射器,可以产生更多的图像深度。

通过在CLC反射器中引入一个线性变化的相位,可以得到一个反射式LC光栅(称为偏振体光栅PVG)。这种线性变化的相位可以通过曲面对齐生成。与CLC反射器相比,PVG具有更复杂的结构,其中光对准层上的偶氮化合物沿水平轴呈现正弦图案。图12b描述了PVG结构的LC分布。

通过向CLC反射器引入抛物面变化的相位,可以获得反射LC透镜。透镜相位profile可以叠加到平面CLC,以形成轴上或轴外CLC透镜(图12c,d)。与CLC反射器一样,CLC透镜依然遵循偏振选择性规则,但当入射光从不同profile入射时,其会呈现出相反的相位profile。换句话说,具有目标偏振的入射光可以会聚或发散,这取决于光束进入哪一侧。利用CLC的偏振选择性,可以将多个CLC膜堆叠在一起,以执行不同的功能,从而实现广泛的应用。

对于VR系统,Pancake设计的CLC反射器可以进一步替换为同轴CLC透镜。这种CLC透镜为优化光学像差提供了更多的自由度。折射和衍射元件的组合由于其相反的色散行为而抑制了色差。

如果将所有折射光学元件替换为HOE(图15a),则Pancake结构可以进一步演变为更紧凑的形状参数。为了适应HOE的角度选择性和波长选择性,单色定向背光是首选的光引擎。另外,轴上CLC透镜可以在投影AR系统中实现,以用作光学组合器。

在麦克斯韦系统中,除了生成或切换多个视点外,同时可以实现注视匹配功能以适应眼睛旋转。在注视匹配的场景中,出瞳应与瞳孔对齐。换句话说,主要光线应该与眼睛注视的方向相匹配。

为了满足这一要求,应实时调节成像耦合器的入射光角度。有研究人员提出了一种机械移位器来移动成像耦合器的水平位置。所述方法可以直接实现注视匹配,但机械移位器增加了系统的复杂性和重量。

由于全息透镜耦合器的探测波与曝光过程中使用的参考波的波前不匹配,当相同的全息透镜耦合器移动时,像差会出现。有人通过使用多个具有不同图案的离轴CLC透镜来适应不同的入射光方向,并开发了一种注视匹配的麦克斯韦系统。

如图16c所示,三个透镜设计用于三个出瞳,以在眼睛旋转时与眼睛瞳孔位置对齐。由于每个透镜可以针对一个入射角进行专门设计,所以像差可以忽略不计。然而,如果需要更多的视点来覆盖大范围的眼球旋转,这种方法可能会变得更笨重。为了使其合理实用,可以在视点数量和注视匹配程度之间进行一定的折衷。尽管麦克斯韦显示器仅限于一个小视窗,但波导框架可以支撑一个大视窗。

通过将这两个优点结合在一起,有人提出了一种扫描波导显示器,通过部署一个离轴CLC透镜阵列作为输出耦合器来实现宽水平视窗(~ 80°)(图16d)。准直光通过离轴CLC透镜阵列进行外耦合,然后形成多个视点。在这个框架中,视窗不再受波导折射率的限制,而是完全由每个透镜元件的f数决定。由于强大的CLC对准,离轴CLC透镜可以达到较小的f数(~ 0.6)。

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7. 结论与展望

AR/VR技术与先进的LC期间相结合,这已成为行业的一个重要探索方向。为了在可穿戴AR/VR头显中实现紧凑的形状参数和高图像质量,先进的LC期间发挥着重要作用。器件工程和制造工艺的进一步发展有望提高AR/VR应用中LCD和LCoS SLM的性能。新兴的LC平面光学器件具有超薄的形状因子和高效的光学特性。所述基于LC的先进组件对于系统地提高AR/VR显示器的图像质量和形状参数起着关键的作用。

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