| 導(dǎo)讀 | 

液晶顯示設(shè)備已經(jīng)在我們的日常生活中無(wú)處不在；它們的應(yīng)用范圍從智能手表、智能手機(jī)、平板電腦、電腦顯示器、電視、數(shù)據(jù)投影儀，到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）顯示。

經(jīng)過(guò)對(duì)液晶器件的不斷研究開(kāi)發(fā)和對(duì)制造技術(shù)的大量投資，液晶顯示器和 OLED 顯示器已成為顯示器業(yè)界的主導(dǎo)技術(shù)。與傳統(tǒng)顯示器不同，AR 和 VR 提供了人與數(shù)字信息的沉浸式交互，被廣泛認(rèn)為是下一代頭戴式顯示器。

在過(guò)去的二十年中，先進(jìn)的液晶材料和超薄的液晶功能器件等新興技術(shù)，極大地重塑了 AR/VR 顯示系統(tǒng)，使這種突破性的顯示平臺(tái)真正融入人們的生活。與此同時(shí)，近眼顯示與液晶器件相輔相成，推動(dòng)產(chǎn)生了許多令人印象深刻的支持 AR/VR 的新型液晶設(shè)備。

為此，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)吳詩(shī)聰教授團(tuán)隊(duì)在 Light: Science & Applications 發(fā)表綜述文章，題為 Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: Principles and Applications。本文作者為美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)博士生尹坤，通訊作者為吳詩(shī)聰教授。

AR/VR顯示系統(tǒng)中的先進(jìn)液晶器件 

VR 顯示為用戶構(gòu)建了一個(gè)完全數(shù)字化并且令人身臨其境的虛擬環(huán)境。與此相對(duì)， AR 顯示追求高質(zhì)量的透視性能，通過(guò)疊加數(shù)字信息內(nèi)容來(lái)豐富現(xiàn)實(shí)世界。憑借這些令人耳目一新的視覺(jué)體驗(yàn)，AR/VR 顯示器已經(jīng)展示了廣泛的吸引力和巨大的應(yīng)用潛力。對(duì)于 VR 系統(tǒng)，顯示模塊的發(fā)光區(qū)域通常為 2 至 3 英寸大小，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的光學(xué)放大系統(tǒng)生成具有足夠視場(chǎng)角的虛擬圖像。

圖 1a 描繪了 VR 光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。VR 顯示需要通過(guò)虛擬影像，提供滿足人眼需求的超高視覺(jué)體驗(yàn)，因此圖像深度信息，分辨率，出瞳大小，視場(chǎng)角等關(guān)鍵參數(shù)都對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對(duì)于 AR 系統(tǒng)，微顯示模塊會(huì)提供與現(xiàn)實(shí)世界重疊的數(shù)字化虛擬信息。

圖 1：基于液晶技術(shù)的多種液晶光電響應(yīng)器件及其在AR/VR系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用

圖 1b 描繪了具有光學(xué)耦合器的AR 系統(tǒng)一般草圖。與具有 2 到 3 英寸顯示面板的 VR 相比，AR 中的光引擎要小得多。而縮小光學(xué)尺寸意味著某些光學(xué)性能的犧牲，這其中最具有代表性的就是光學(xué)不變量限制下視場(chǎng)角和出瞳尺寸之間的相互妥協(xié)，尤其是對(duì)于類似眼鏡的緊湊型AR系統(tǒng)。

因此如何在有限的光學(xué)系統(tǒng)體積中滿足甚至超越上述AR/VR系統(tǒng)的性能要求，成為一個(gè)亟待解決且影響重大的研究課題。這其中，具有獨(dú)特光學(xué)特性和光電響應(yīng)的先進(jìn)液晶器件受到廣泛關(guān)注并已實(shí)際應(yīng)用于 AR/VR 顯示，涵蓋從光引擎到光學(xué)元件的所有關(guān)鍵組件。

目前主要有三大類新型液晶器件被廣泛用于AR/VR 系統(tǒng)中來(lái)支持和提升系統(tǒng)的光學(xué)性能（圖 1）。它們分別是用于 VR 的微型液晶顯示器、用于 AR/VR 光引擎和全息成像的高分辨率密度、高亮度的硅基液晶 （LCoS），以及接近 100% 光效率的超薄液晶光學(xué)器件。這三類液晶功能器件涵蓋了從光引擎、光學(xué)成像、光學(xué)補(bǔ)償?shù)雀鞣N功能組件，為整個(gè)AR/VR系統(tǒng)的小型化和高品質(zhì)圖像帶來(lái)新的曙光。

? 優(yōu)化系統(tǒng)能耗

為了實(shí)現(xiàn)高分辨率密度和快速響應(yīng)時(shí)間，用于 VR 頭顯的微型液晶顯示器因小孔徑比和向錯(cuò)線而導(dǎo)致透光率低。

如果進(jìn)一步考慮彩色濾光片和偏光片的吸收損失，VR 頭顯的液晶面板的總透光率僅為 2-3% 左右，而這僅是面板本身的效率。

如果進(jìn)一步考慮整個(gè)光學(xué)構(gòu)架，如圖2右所示折疊式VR系統(tǒng)，液晶顯示屏發(fā)出的光具有較大的發(fā)光角，其中只有部分被透鏡收集而進(jìn)入人眼被觀察到的則更少，其余的光均被損耗甚至造成不必要的鬼影。

因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊，電池和光學(xué)部件尺寸都亟待縮小的VR頭顯來(lái)說(shuō)，低效率是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

圖 2：VR系統(tǒng)中的折疊光路（右圖）和圖像質(zhì)量對(duì)比（左圖）

對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)部分來(lái)說(shuō)，背光系統(tǒng)與角分布調(diào)制結(jié)合可以收縮發(fā)散角從而提高收光效率。但是在光學(xué)不變量的限制下，小角分布會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的漸暈。因此，空間分布的角方向調(diào)制需要進(jìn)一步補(bǔ)充進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的主光線角度控制，以確保提高光學(xué)系統(tǒng)效率的同時(shí)保證圖像質(zhì)量。此外，mini-LED 背光技術(shù)顯示 HDR 圖像在 VR 系統(tǒng)中可以提升圖像質(zhì)量從而進(jìn)一步提供更好的沉浸式體驗(yàn)（圖 2 左）。 

? 提供全息圖像

與透射式液晶顯示器相比，反射式 LCoS 面板結(jié)合了液晶的電光效應(yīng)和高性能 CMOS 電子器件，可提供高填充因子 (>90%)、高分辨率、緊湊的外形尺寸和高畫幅率。

由于出色的光調(diào)制能力，振幅和相位的 LCoS 器件都是 AR/VR 應(yīng)用的重要光引擎。特別是與其他相位調(diào)制器相比，例如微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS），相位 LCoS 器件，也稱為空間光調(diào)制器 （SLM）在多級(jí)相位調(diào)制、低驅(qū)動(dòng)電壓和相對(duì)低廉的成本方面表現(xiàn)突出。因此，大多數(shù)用于 AR/VR 應(yīng)用的全息顯示器都是通過(guò) SLM 實(shí)現(xiàn)的。

目前幅度調(diào)制 LCoS 已經(jīng)作為光機(jī)被廣泛應(yīng)用在 AR 產(chǎn)品中，如 HoloLens 1、Magic Leap 1 和 2，Lumus等產(chǎn)品。值得一提的是，高分辨率 SLM 可以直接控制照明波前，允許支持計(jì)算全息視圖。

圖 3 展示了用于AR（左）和VR（右）系統(tǒng)的示意圖。生成的全息圖像表現(xiàn)出像真實(shí) 3D 物體一樣的自然聚焦和模糊效果，對(duì)于 AR/VR 顯示的進(jìn)一步提升和 3D 場(chǎng)景顯示提供了切實(shí)可行的解決方案。

圖 3：基于液晶的 SLM 在 AR（左圖）和 VR（右圖）系統(tǒng)的光路展示

? 緊湊光學(xué)結(jié)構(gòu)

除了液晶顯示器和 LCoS 之外，液晶還表現(xiàn)出其他一些吸引人的特性，例如聚合和光圖案化特性。這些特性可用于研究新型光子器件，被稱為液晶平面光學(xué)器件。

它具有超薄的外形尺寸、接近 100% 的光學(xué)效率、強(qiáng)大的偏振選擇性和動(dòng)態(tài)切換能力。基于不同的液晶分子排布，可以實(shí)現(xiàn)透射式和反射式兩種不同的工作模式（圖 4 左）。這些液晶平面光學(xué)器件在AR/VR 系統(tǒng)中可以有效縮減系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如輔助折疊光路（圖 4 右）從而實(shí)現(xiàn)緊湊型光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖 4：液晶平面光學(xué)器件（左圖）及折疊系統(tǒng)的光路展示（右圖）

實(shí)現(xiàn)滿足人眼需求的緊湊型近眼顯示系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)和電學(xué)都無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。而基于液晶獨(dú)特光電響應(yīng)的新型液晶器件為這一領(lǐng)域帶來(lái)了新的曙光。這些液晶器件在緊湊結(jié)構(gòu)的同時(shí)提供各種光學(xué)調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)高效、高分辨率、高自由度的光束控制。不可否認(rèn)的是這其中依舊有很多挑戰(zhàn)，包括但不僅限于進(jìn)一步提高效率，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，更廣的光譜和角度響應(yīng)等等。而同時(shí)，新型液晶器件與特殊材料、機(jī)器學(xué)習(xí)、自由曲面、超表面等技術(shù)的深度結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)AR/VR系統(tǒng)的更進(jìn)一步的突破提供了新的希望。

| 論文信息 |

Yin, K., Hsiang, EL., Zou, J. et al. Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: principles and applications. Light Sci Appl 11, 161 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00851-3

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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