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Science | 寻找终极VR显示器

2022-11-7 21:17| 发布者:optkt| 查看:1025| 评论:0|原作者: 中国光学

摘要:该篇文章介绍了AR和VR技术的发展以及头戴显示器的市场需求,同时分析了液晶显示器、有机发光二极管和Meta-OLED技术在VR头盔中的应用情况。此外还介绍了Meta-OLED技术可实现超高像素密度的特点。为了让VR设备更小、更轻、更便宜,并拥有更快的数据处理能力,文章探讨了改进的途径,如曲面屏和中心凹显示器。
撰稿:望舒
经过几十年的相对沉寂,增强现实虚拟现实(ARVR)是当今发展最快的消费产品技术之一。从社交网络到教育、医疗,游戏,这些广泛的应用正在推动头戴显示设备的市场需求。
然而,要想让这项技术顺利的走进千家万户,就需要头戴显示器更小、更轻、更便宜,并拥有更快的数据处理能力。由于这几者之间存在固有的取舍关系,满足这样的市场需求变得极具有挑战性。最近,VR显示技术的最新进展可能有助于实现这一目标。

图1:寻找终极VR显示器

图源:Light新媒体/VEER

鉴于此,韩国三星电子高级技术研究院的Won-Jae Joo与美国斯坦福大学的Mark L. BrongersmaScience上发表了题为“Creating the ultimate virtual reality display”的前瞻评述。
目前,市面上的VR头戴设备仍然十分笨重。它们通常有几英寸厚,大部分体积被光学元件占据,彼此之间存在很大的空隙。虽然采用更薄的菲涅尔透镜或称超表面纳米结构薄膜已实现某种程度的小型化,但仍难以满足需求,这些空间需要进一步压缩。
为了实现进一步的小型化,可能需要可以操纵不同入射角度的光波的新型超表面。遗憾的是,目前新型超表面的结构用在可见光波段存在严重的色差和畸变。此外还有一些提出的新型光学设计,例如折叠光学等,但这些技术都需要在尺寸和光利用率之间做一定的权衡。
除了头戴显示器的尺寸,显示的图像质量也很重要。理论上来说,为了达到人眼的分辨率极限和足够的视野,微显示器需要约2亿像素。如果将VR头盔缩小到普通眼镜的大小,显示面板的尺寸将需要进一步缩小,可能需要达到每英寸1万像素。这是一个什么概念呢?类比一下最新一代智能手机的像素密度,例如苹果iPhone 13,每英寸才约460像素。
为了实现这种级别的像素密度,目前,各种各样的微显示器已经被用于VR头盔,其中最引人注目的是有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)。作者详细分析了LCD技术白光OLED技术以及Meta-OLED技术的优势和特点。这些技术都有其独特的优势和局限性。
LCD技术
LCD通过一个单独的背光照明单元来调节光的发射,这虽然使得显示系统体积更大,但是,带来的好处是它们可以依赖非常明亮和坚固的LED作为背光源,这使得LCD显示器整体上更耐用。LCD技术支持3万cd/m²以上的高亮度,也是VR头戴设备的一大优势。
白光OLED技术
相比之下,OLED提供了更大的对比度和更广泛的颜色范围,以及更快的响应和更薄的外形。然而,目前的OLED显示屏在高亮度下运行时,往往损耗退化的更快。不过,随着更好的光学技术、更节能和更耐用的OLED的快速发展,OLED可能会成为未来VR系统的首选技术,而不是LCD,因为它们本身就更小的尺寸和更低的重量。
OLED显示屏的商业化始于2010年左右智能手机的发展,彩色OLED具有红、绿、蓝(RGB)并排像素结构,具有优越的能源效率,亮度和颜色纯度。然而,掩膜制备的困难阻碍了RGB- OLED在像素只有几微米的微显示器和大画幅电视上的使用。
这促使了白光OLED的发展,它的制造不依赖于掩模,颜色是通过在白光OLED上方放置滤镜产生——类似于前面提到的LCD设计。由于不需要掩膜,白光OLED在制造过程中比RGB- OLED更具可扩展性。它们已经被广泛应用于各种尺寸的产品,从几微米的像素化显示器到大画幅的电视。RGB- OLED目前应用于VR头盔,角度分辨率约为15 PPD,与之相比,白光OLED的分辨率可达60 PPD。
Meta-OLED技术
此外,Meta-OLED技术可以实现超高像素密度,达到每英寸1万像素,接近可见光波长所设定的基本物理极限。还可以实现更高的效率和更好的颜色清晰度,同时避免传统的光学串扰。正因如此,目前,一些公司对Meta-OLED技术产生了兴趣,并可能成为首批商业化的超材料技术之一。
图2:彩色OLED、白光OLED以及Meta-OLED技术原理示意图
图源:Science, 2022, 377(6613): 1376-1378
除了创造尺寸更小图像质量更好的AR和VR显示器,还有其他改进的方法。例如,曲面屏的使用可以扩大视野。但是从电子材料的角度来看,要使得为每个像素供电的单晶硅背板弯曲是有挑战性的。对于具有高性能和灵活性的超薄硅膜,虽然已经证明了一些可行性,但成本和批量生产的问题仍然存在。
另一个改进的途径是在人类生物学中寻找窍门。例如中心凹显示器,利用人眼中心凹视觉原理,通过降低周边视觉的图像质量,大大减轻图形处理器的工作量。同时,它还可以减少眩晕感。然而,有效的中心凹显示器需要精确跟踪用户的眼睛和头部的运动,这为整体的设计增加了另一个维度的复杂性。

图3:中心凹显示器精确跟踪用户的眼睛和头部的运动数据

图源:Light新媒体/VEER

总的来说,各种显示概念的引入必然是循序渐进的。目前,许多新的用例正在出现,它们将触发从移动设备向可穿戴设备的过渡。如果这种转变发生,它将导致人类与数字世界的互动方式实现重大转变。这也是目前全球几乎所有主要电子公司都在AR和VR技术上投入大量资源的原因。在未来的几年里,如果对VR技术的商业兴趣仍然很高,这里提到的各种尖端技术就会逐渐进入消费产品,帮助进一步普及VR和AR技术的技术。

论文信息 

Joo W J, Brongersma M L. Science, 2022, 377(6613): 1376-1378.

https://doi.org/10.1126/science.abq7011


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