Light | 液晶器件在AR/VR的应用与挑战

撰稿 | 作者团队

一、导读

液晶显示设备已经在我们的日常生活中无处不在；它们的应用范围从智能手表、智能手机、平板电脑、电脑显示器、电视、数据投影仪，到增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示。经过对液晶器件的不断研究开发和对制造技术的大量投资，液晶显示器和OLED显示器已成为显示器业界的主导技术。与传统显示器不同，AR 和 VR 提供了人与数字信息的沉浸式交互，被广泛认为是下一代头戴式显示器。在过去的二十年中，先进的液晶材料和超薄的液晶功能器件等新兴技术，极大地重塑了 AR/VR 显示系统，使这种突破性的显示平台真正融入人们的生活。与此同时，近眼显示与液晶器件相辅相成，推动产生了许多令人印象深刻的支持 AR/VR 的新型液晶设备。

二、AR/VR显示系统中的先进液晶器件

VR 显示为用户构建了一个完全数字化并且令人身临其境的虚拟环境。与此相对， AR 显示追求高质量的透视性能，通过叠加数字信息内容来丰富现实世界。凭借这些令人耳目一新的视觉体验，AR/VR 显示器已经展示了广泛的吸引力和巨大的应用潜力。对于 VR 系统，显示模块的发光区域通常为 2 至 3 英寸大小，通过精心设计的光学放大系统生成具有足够视场角的虚拟图像。图 1a 描绘了VR光学系统的示意图。VR显示需要通过虚拟影像，提供满足人眼需求的超高视觉体验，因此图像深度信息，分辨率，出瞳大小，视场角等关键参数都对光学系统提出了严峻的挑战。对于 AR 系统，微显示模块会提供与现实世界重叠的数字化虚拟信息。图 1b 描绘了具有光学耦合器的AR 系统一般草图。与具有 2 到 3 英寸显示面板的 VR 相比，AR 中的光引擎要小得多。而缩小光学尺寸意味着某些光学性能的牺牲，这其中最具有代表性的就是光学不变量限制下视场角和出瞳尺寸之间的相互妥协，尤其是对于类似眼镜的紧凑型AR系统。因此如何在有限的光学系统体积中满足甚至超越上述AR/VR系统的性能要求，成为一个亟待解决且影响重大的研究课题。这其中，具有独特光学特性和光电响应的先进液晶器件受到广泛关注并已实际应用于AR/VR显示，涵盖从光引擎到光学元件的所有关键组件。

目前主要有三大类新型液晶器件被广泛用于AR/VR 系统中来支持和提升系统的光学性能（图1）。它们分别是用于 VR 的微型液晶显示器、用于 AR/VR 光引擎和全息成像的高分辨率密度、高亮度硅基液晶 （LCoS），以及接近 100% 光效率的超薄液晶光学器件。这三类液晶功能器件涵盖了从光引擎、光学成像、光学补偿等各种功能组件，为整个AR/VR系统的小型化和高品质图像带来新的曙光。

图 1 基于液晶技术的多种液晶光电响应器件及其在AR/VR系统中广泛应用

2.1 优化系统能耗

为了实现高分辨率密度和快速响应时间，用于 VR 头显的微型液晶显示器因小孔径比和向错线而导致透光率低。如果进一步考虑彩色滤光片和偏光片的吸收损失，VR 头显的液晶面板的总透光率仅为 2-3% 左右，而这仅是面板本身的效率。如果进一步考虑整个光学构架，如图2右所示折叠式VR系统，液晶显示屏发出的光具有较大的发光角，其中只有部分被透镜收集而进入人眼被观察到的则更少，其余的光均被损耗甚至造成不必要的鬼影。因此，对于结构紧凑，电池和光学部件尺寸都亟待缩小的VR头显来说，低效率是一个迫切需要解决的问题。

对于光学系统部分来说，背光系统与角分布调制结合可以收缩发散角从而提高收光效率。但是在光学不变量的限制下，小角分布会导致严重的渐晕。因此，空间分布的角方向调制需要进一步补充进系统，实现区域性的主光线角度控制，以确保提高光学系统效率的同时保证图像质量。此外，mini-LED背光技术显示HDR图像在VR系统中可以提升图像质量从而进一步提供更好的沉浸式体验（图2左）。 

图2 VR系统中的折叠光路（右图）和图像质量对比（左图）

2.2 提供全息图像

与透射式液晶显示器相比，反射式 LCoS 面板结合了液晶的电光效应和高性能CMOS电子器件，可提供高填充因子 (>90%)、高分辨率、紧凑的外形尺寸和高画幅率。由于出色的光调制能力，振幅和相位的 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，例如微机电系统 (MEMS)，相位 LCoS 器件，也称为空间光调制器 （SLM）在多级相位调制、低驱动电压和相对低廉的成本方面表现突出。因此，大多数用于 AR/VR 应用的全息显示器都是通过 SLM 实现的。目前幅度调制LCoS已经作为光机被广泛应用在AR 产品中，如HoloLens 1、Magic Leap 1和2, Lumus等产品。值得一提的是，高分辨率 SLM 可以直接控制照明波前，允许支持计算全息视图。图3展示了用于AR（左）和VR（右）系统的示意图。生成的全息图像表现出像真实 3D 物体一样的自然聚焦和模糊效果，对于 AR/VR 显示的进一步提升和3D 场景显示提供了切实可行的解决方案。

图三 基于液晶的SLM在AR（左图）和VR（右图）系统的光路展示

2.3 紧凑光学结构

除了液晶显示器和LCoS之外，液晶还表现出其他一些吸引人的特性，例如聚合和光图案化特性。这些特性可用于研究新型光子器件，被称为液晶平面光学器件。它们具有超薄的外形尺寸、接近 100% 的光学效率、强大的偏振选择性和动态切换能力。基于不同的液晶分子排布，可以实现透射式和反射式两种不同的工作模式（图4左）。这些液晶平面光学器件在AR/VR 系统中可以有效缩减系统结构，例如辅助折叠光路（图4）从而实现紧凑型光学结构。

图四 液晶平面光学器件（左图）及折叠系统的光路展示（右图）

三、应用与展望

实现满足人眼需求的紧凑型近眼显示系统对于光学和电学都无疑是一个巨大的挑战。而基于液晶独特光电响应的新型液晶器件为这一领域带来了新的曙光。这些液晶器件在紧凑结构的同时提供各种光学调制，以实现高效、高分辨率、高自由度的光束控制。不可否认的是这其中依旧有很多挑战，包括但不仅限于进一步提高效率，实现更高的分辨率，更广的光谱和角度响应等等。而同时，新型液晶器件与特殊材料、机器学习、自由曲面、超表面等技术的深度结合，为实现AR/VR系统的更进一步的突破提供了新的希望。

论文信息：

该研究成果以"Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: Principles and Applications"为题在线发表在Light: Science & Applications。本文作者为美国中佛罗里达大学博士生尹坤，通讯作者为吴诗聪教授。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00851-3