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（Nweon，2022 年6 月23 日）AR 和VR 有望彻底改变我们感知和与数字信息交互的方式，并成为下一个主要计算平台。尽管业界正在探索一系列不同的显示解决方案，但由于高亮度、低功耗、易着色和长寿命等一系列优点，许多制造商将LC技术视为重要方向。在一篇题为《Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: principles and applications》的论文中，来自中佛罗里达大学的团队介绍了一系列可用于AR/VR的先进LC技术解决方案，包括工作原理、潜在应用和未来挑战。 1.液晶屏

LCD主要包含两个组件：背光单元和LC面板。背光单元在液晶面板上提供均匀的照明，每个像素的透射率由薄膜晶体管（TFT）控制。在过去的五十年里，背光单元和液晶面板都经历了巨大的增长和显着的改进。但对于VR系统来说，由于很多新需求的出现，直接采用传统LCD作为光引擎存在一定的问题。 VR头显一般利用放大镜在用户面前形成放大的虚拟图像，从而营造身临其境的体验。这种投影过程需要比直视显示器具有更高分辨率密度的显示面板。人类视觉系统的视敏度为1弧分，那么6K分辨率的显示器通常需要支持100度视场的VR耳机。为了实现紧凑的外形尺寸，需要将6K6.K分辨率组装在2-3英寸的面板上，从而形成2000 PPI的微型显示面板。此外，对于眼球快速运动的近眼系统，运动模糊变得严重且明显，尤其是在游戏期间。基于上述要求，在VR头显中使用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）的显示孔径比分别为95%、86%、73% 和38%。较小的孔径比会降低光学效率，从而增加VR耳机的功耗和热效应。为了减轻VR 耳机中的运动伪影，我们需要高帧速率显示器(120 Hz) 和低占空比(20%)。因此，LC 响应时间应该足够快，以支持高帧速率和低占空比。

一般来说，用于VR的液晶面板由于孔径比小和失准问题而存在透射率低的局限性。如果进一步考虑彩色滤光片和偏光片的吸收损耗，VR用液晶面板的总透光率仅为2%左右。因此，如何提高光效率至关重要。 2、提高光学效率VR系统的总光学效率主要分为两个环节：一是面板效率，二是成像光学。上面已经讨论了面板效率（表1），下面重点讨论使用定向LCD背光来提高光学系统效率。

对于典型的朗伯显示器，只有一小部分光被眼球接收（图3a 绿色和黄色锥体），其余的都被浪费了。该系统由液晶显示器、焦距约为35mm的菲涅尔透镜和直径为4mm（瞳孔尺寸）的圆形接收器组成。发射角（y 轴）与光效率之间的关系如图3b 所示，该图显示用户的眼睛仅接收到发射光的一小部分。因此，可以通过优化定向背光来提高VR系统的光学效率。由于VR系统的体积有限，可以通过应用纳米光栅、微透镜阵列或反射微结构来实现薄而紧凑的定向背光设计。定向背光的实施可以显着提高整体光学效率，但这可能会导致严重的渐晕效应。如图3a中的绿色锥体所示，发射锥体的主光线与视口的接收角度不匹配。图3b 显示了不同像素位置（x 轴）的光学效率。可见，只有当发射角的主光线与接受角匹配时，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膜，使显示面板的辐射图案与VR光学系统的接收锥体在空间上匹配。通过使用定向背光，重影与信号能量之比随着像素位置远离中心而增加。空间辐射图调制器调制每个像素的局部辐射以避免接收图像中的伪影。结果，重影与信号能量之比降低。除了提高光学效率外，添加具有强度调制功能的薄膜还有助于提高VR 图像质量。通常，LCD 对比度范围为2500:1（FFS 模式）到5000:1（MVA 模式）。这种黑暗状态严重损害了用户的沉浸式体验。空间强度调制可以通过分区Mini LED 背光来实现。根据所显示的图像，这种局部可调光背光可以在明亮图像区域增强LED 亮度，并在黑暗区域调暗LED 亮度。 VR光引擎可以利用Mini LED背光技术来显示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。一些研究人员利用超高斯函数描述了所需的光分布，发现良好的光限制（功率约为4.5）有助于提高图像质量。为了获得所需的光轮廓，通常可以考虑两种方法。

一是优化LED 芯片几何形状，在LED 阵列顶部安装散射光波导，并在LED 外表面创建反射侧壁和微结构。另一种方法是在背光单元中层压光学薄膜，以在进入液晶面板之前形成光轮廓。基于这两种方法，有研究人员提出了一种新的Mini LED背光系统，支持空间光强度调制，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，可以利用局部调光算法系统地优化Mini LED背光的LCD透过率和空间轮廓。每个分区中Mini LED的亮度由该分区中最亮的像素决定。尽管可以保持足够的亮度，但帧与帧之间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，但突出显示的图像可能会变得更暗且不太生动。为了解决这一问题，业界提出了大量新的局部调光算法，以提高Mini LED背光液晶显示器的图像质量。 3. Mini LED 背光LCD 的驱动方法和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 耳机的功耗和相关热效应至关重要。为了驱动Mini LED背光，业界探索了有源矩阵（AM）和无源矩阵（PM）驱动方式。 AM驱动方式将Mini LED与TFT背板集成，控制各个区域的亮度并减少所需IC芯片的数量。对于AM MiniLED背光来说，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时间保持恒定。因此，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驱动方式是一种更简单的Mini LED驱动方式。 PM方式逐行驱动背光，由于存储容量不足，每行的mini 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方式需要Mini LED具有更高的电流。

4.用于AR/VR的LCoS器件与传统透射式TFT LCD相比，反射式LCoS面板将LC的电光效应与高性能硅CMOS电子器件相结合，提供高填充因子（90）、高分辨率、紧凑的形状参数，和高帧率。由于其出色的光调制能力，幅度和相位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。因此，大多数AR/VR 应用的全息显示都是使用SLM 实现的。典型的反射式LCoS 器件由CMOS 硅背板、像素化铝反射器、LC 层和氧化铟锡(ITO) 涂层盖玻璃组成。沉积在硅背板上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。当入射光穿过液晶层时，可以获得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LCoS 期间投影系统中的幅度调制，LED 光源发射非偏振光。对于基于LCoS的近眼系统来说，两个主要要求是宽视场和高分辨率。这两个因素是相互关联的。在未放大的近眼系统中，视场等于最大衍射角的两倍，观察窗口等于所使用的SLM 的尺寸。

图5a显示了视场和像素间距之间的关系。如果像素间距减小到1m，视野可以扩大到大约37度。如图5b 所示，对于给定数量的像素，可以增加视场，但代价是减小视口尺寸。通过使用像素间距更小、像素更多的SLM，您可以在保持相同视口的同时实现更宽的视口。综合以上分析以及AR/VR需求，1像素间距PPI m对应的超高分辨率25400是非常有必要的。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，我们需要建立新的LCoS 代工厂，支持更小的特征尺寸，以便在超小像素中容纳足够的晶体管。由于CMOS背板所能支持的电压摆幅有限，因此需要介电各向异性较大的LC材料来降低所需的驱动电压。布局优化还有助于实现更小的像素尺寸。对于第二个挑战，FFE 是由相邻像素上的电压不相等引起的。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引起的相位扰动降低了衍射效率并加剧了重建误差。与幅度LCoS 器件相比，仅相位LCoS 器件的FFE 缓解更具挑战性，因为它们的单元间隙更厚且要求更严格。为了实现1m节距的相位调制器，一些研究人员提出了介质屏蔽墙结构，但器件制造具有挑战性。除了基于材料和器件的方法之外，业界还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，当像素间距与单元间距相当甚至更小时，就需要对液晶动态进行严格的模拟。尽管经过了数十年的努力，用于宽视场全息显示器的超高分辨率相位调制器仍有待开发。 5. AR/VR 的SLM

高分辨率LCoS SLM 可以直接控制照明波前的属性，从而实现全息视图。生成的全息图像可以像真实的3D 物体一样显示自然的聚焦和模糊效果。此类SLM 对于AR/VR 显示器特别有用，可为3D 场景提供正确的深度提示。尽管使用SLM实现近眼显示全息图令人鼓舞，但全息图绘制需要复杂的计算并且非常耗时。在近眼显示器中进一步使用SLM 的另一个问题是集光率有限。目前，SLM 的最小像素尺寸约为3 m（通常为312 m），因此在平面波照明下，衍射角通常为5。典型的SLM 面板尺寸仅为0.5-1 英寸，因此需要在窗口尺寸和视场之间进行权衡。由于当今硬件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实用。然而，SLM可以用作额外的增强器，与传统显示器（例如LCD）结合，以克服VAC视觉聚散调节冲突问题。由于其相位调制功能，SLM 可以作为空间可控透镜放置在光路中。 6. LC 平面光学器件除了将图像调制到显示器或SLM 中之外，LC 还具有其他重要特性，可用于创建新的光子器件LCOE。 LCOE具有超薄的形状参数、几乎100%的效率、强大的偏振选择性和开关能力，因此在AR/VR系统中展现出良好的应用前景。 6.1 透射型液晶平面光学器件

在透射式LCOE 中，我们将重点关注几何相位光学。透射光学元件能够在薄层内实现快速相位调制的主要原因是相位延迟取决于液晶对准。透射式LCOE 显示出非常强的偏振选择性，并且可以分别用作波片、光栅和透镜，具体取决于LC 对准。图8 总结了每个元件的偏振响应。作为一种各向异性光学材料，液晶可以向偏振光引入相位延迟，使其成为波片（或相位延迟器）的潜在候选者。无边液晶波片是一种超薄且重量轻的紫外线稳定聚合物薄膜。有源LC波片可以通过施加电压在开和关状态之间切换。

在图9a 所示的系统中，基于LC 的有源HWP 与无源LC 透镜一起工作。由于LC 透镜与偏振相关，因此切换活动HWP 将旋转偏振状态，从而改变透光率。如果将无源LC 透镜替换为偏振选择光栅，则焦平面调制将针对输出光束角位移进行光束控制，如图9b 所示。要获得宽带有源波片，最简单的器件是TN单元。此外，我们可以使用负色散液晶材料来创建宽带有源波片，以补偿可见光范围内与波长相关的相位延迟。 Merck 开发了用于无源LC 波片的负色散LC 单体（例如RMM 1705）。然而，对于具有主动LC 波片的AR/VR 系统中的复用和转向应用，响应时间需要很快（~1 ms）。目前业界还没有响应时间如此快的负色散液晶。另一种方法是构建多扭曲结构。根据主动驱动的要求，每个扭曲层需要两块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 平面光学器件在反射式LCOE 中，反射机制基于所用胆甾型液晶(CLC) 的布拉格反射。因此，这种类型的衍射光学元件也被称为“厚”光学元件。这种反射式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 节距。此外，通过掺杂某些手性掺杂剂，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，例如多层和梯度间距。如图12 所示，红色虚线连接LC 控制器的短轴并代表布拉格表面。根据LC对准产生的不同布拉格表面，这种反射式LCOE表现出很强的偏振选择性，可分别用作反射镜、光栅和同轴/离轴透镜。图12 总结了每个元件的偏振响应。

CLC反射器（图12a）结构简单，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。此外，可以通过使用CLC 反射器将两个图像编码为正交圆偏振来实现中心凹VR 显示器。

如图13a所示，经过不同路径的图像会经历不同的放大倍数，因此可以大大增强注视点图像的空间分辨率。利用偏振选择性，CLC 反射器可以在AR 系统中同时生成两个光路。如图13b所示，两个反射器依次放置以产生两个不同的屈光度和光路，其中每个光路对应于图像深度。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反射器中引入线性变化的相位，可以获得反射式LC光栅（称为偏振体光栅PVG）。这种线性变化的相位可以通过表面对准来产生。与CLC 反射器相比，PVG 具有更复杂的结构，其中光配向层上的偶氮化合物沿水平轴呈现正弦图案。图12b 描绘了PVG 结构的LC 分布。通过向CLC 反射器引入抛物线变化的相位，可以获得反射式LC 透镜。透镜相位分布可以叠加到平面CLC 上，形成同轴或离轴CLC 透镜（图12c、d）。与CLC 反射镜一样，CLC 透镜仍然遵循偏振选择性规则，但当入射光从不同剖面入射时会表现出相反的相位剖面。换句话说，具有目标偏振的入射光可以会聚或发散，具体取决于光束进入的一侧。利用CLC 的偏振选择性，可以将多个CLC 薄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反射镜可以进一步替换为同轴CLC透镜。该CLC 镜头为优化光学像差提供了更大的自由度。折射和衍射元件的组合可抑制色差，因为它们具有相反的色散行为。

如果所有折射光学元件都被HOE 取代，薄饼结构可以进一步演化为更紧凑的形状参数（图15a）。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。此外，同轴CLC 镜头可以在投影AR 系统中用作光学组合器。在Maxwell系统中，除了生成或切换多个视点之外，还可以实现注视匹配功能以适应眼睛旋转。在凝视匹配的情况下，出瞳应与瞳孔对齐。换句话说，主光应该与眼睛注视的方向相匹配。为了满足这一要求，需要实时调整成像耦合器的入射光角度。一些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。所描述的方法可以直接实现注视匹配，但是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检测波与曝光过程中使用的参考波之间的波前不匹配，当移动同一全息透镜耦合器时会出现像差。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，开发了凝视匹配麦克斯韦系统。如图16c所示，三个透镜被设计成三个出射光瞳在眼睛旋转时与眼睛的瞳孔位置对齐。由于每个镜头都可以针对一个入射角专门设计，因此像差可以忽略不计。然而，如果需要更多视点来覆盖大范围的眼睛旋转，这种方法可能会变得更加笨拙。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权衡。尽管麦克斯韦显示器仅限于小观察窗，但波导框架可以支持大观察窗。通过结合这两个优点，提出了一种扫描波导显示器，通过部署离轴CLC 透镜阵列作为输出耦合器来实现宽水平观察窗口（~80）（图16d）。准直光通过离轴CLC透镜阵列出耦合，然后形成多个视点。在此框架中，观察窗口不再受波导折射率的限制，而是完全由每个透镜元件的光圈值决定。由于强大的CLC 对准，离轴CLC 镜头可以实现更小的f 值(~0.6)。

相关论文：用于增强现实和虚拟现实显示的先进液晶器件：原理与应用

七、结论与展望AR/VR技术与先进的LC技术的结合已成为行业的重要探索方向。为了在可穿戴AR/VR 耳机中实现紧凑的外形参数和高图像质量，先进的LC 周期发挥着重要作用。设备工程和制造工艺的进一步发展预计将提高AR/VR 应用中LCD 和LCoS SLM 的性能。新兴的液晶平面光学器件具有超薄的外形尺寸和高效的光学特性。先进的基于液晶的组件在系统地提高AR/VR 显示器的图像质量和形状参数方面发挥着关键作用。