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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
研究背景
電影中，在各種虛擬現實設備的幫助下，玩家們“可以做任何事，去任何地方”，給人感覺都和現實一樣。電影終歸是電影，類似的技術何時才能真正上市。經過幾十年的相對休眠，增強和虛擬現實(AR和VR)成為當今發展最快的消費產品技術之一。對這些頭戴設備日益增長的市場需求是由網絡驅動的，網絡涉及教育、醫療，當然還有游戲。然而，要讓普通大眾更大規模地采用這項技術，就需要耳機更小、更輕、處理能力更強。由于兩者之間的內在權衡，對顯示器尺寸更小和分辨率更高的競爭需求尤其具有挑戰性。虛擬現實顯示技術的最新進展可能有助于實現這一目標。
關鍵問題
要讓普通大眾更大規模地采用這項技術，就需要設備更小、更輕、處理能力更強。但仍存在以下問題：
1、虛擬現實頭盔戴在頭上時仍然很笨重
它們通常有幾英寸厚，大部分體積被光學元件占據，中間有很大的空隙。
2、無法在可見光光譜中工作
新型的超表面可以對不同入射角的光波進行操作，這些新提出的組件中有許多在不產生嚴重像差的情況下無法在可見光光譜中工作。
3、亮度降低
折疊光學的好處是以降低亮度為代價的，因為偏振器和波片的存在。
新思路
有鑒于此， Won-Jae Joo和Mark L. Brongersma在Science期刊上展望了目前科學家們正在探索新的材料設計，以制造更小、更密集的像素顯示器。
技術方案：
1、在AR和VR系統的設計中，在尺寸和高效光線管理之間權衡
使用所謂的“波導光學合成器”的AR設計具有超薄的優點，但缺點是光傳輸效率低。如果這種權衡被證明是不可避免的，那么開發高效的微顯示器將對這些耳機的小型化至關重要。
2、像素考量保證圖像質量
由于當今VR頭戴設備的顯示器與用戶眼睛之間的距離很小，因此該體驗的最佳分辨率僅為約15 PPD。為了達到人眼的分辨率極限和水平160°和垂直175°的視場，微型顯示器需要約2億像素。
3、微顯示器的廣泛應用
最著名的包括有機發光二極管(OLED)和液晶顯示器(LCD)。隨著更好的光學器件和更節能、更耐用的OLED的快速發展，OLED很可能會成為未來VR系統的首選技術，而不是LCD。
4、濾色白色OLEDs的發展
顏色是通過在白色OLEDs上方放置原色濾鏡產生的——類似于前面提到的LCD設計。由于不需要屏蔽，彩色過濾OLEDs在制造過程中比RGB-OLEDs更具可擴展性。
5、一種被稱為“元OLED”的新型OLED最近被提出
在元OLED中，反射鏡上的納米圖案決定了發射光的顏色。這種架構不需要使用有機碳。元OLED還可以實現更高的效率和更好的顏色清晰度比其前身。圖 虛擬現實耳機可以通過減小設備尺寸并提高其大視場的感知分辨率來受益于具有更密集像素的微型顯示器
技術優勢：
1、顯示面板可能高達每英寸10,000個像素
由于當今VR頭戴設備的顯示器與用戶眼睛之間的距離很小，因此該體驗的最佳分辨率僅為約15 PPD。為了達到人眼的分辨率極限和水平160°和垂直 175° 的視場，微型顯示器需要約2億像素。為了進一步將VR頭顯縮小到普通眼鏡大小，顯示面板尺寸需要進一步縮小，并需要高達每英寸10,000個像素。
2、無機發光二極管會顯示出更持久的效果，支持超過30000 cd/m2的高亮度
由一個獨立的背光照明單元產生的發光二極管使這些顯示系統體積更大。盡管如此，可以依靠非常明亮和健壯的無機發光二極管，會顯示出更持久的效果。支持超過30000 cd/m2的高亮度也是VR頭戴設備的一個巨大優勢。
技術細節
在AR和VR系統的設計中，這種在尺寸和高效光線管理之間的權衡是很常見的。例如，使用所謂的“波導光學合成器”的AR設計具有超薄的優點，但缺點是光傳輸效率低。這意味著超過95%的由顯示器產生的光在到達眼睛之前就已經丟失了。如果這種權衡被證明是不可避免的，那么開發高效的微顯示器將對這些耳機的小型化至關重要。除了前置的尺寸外，它的圖像質量也很重要。具有20/20視力的人可以在其視野中心附近分辨出約60像素/度 (PPD)。對于具有8000像素（8K分辨率）的75英寸超高清電視，觀看者從10英尺外看到的分辨率大于200 PPD。然而，由于當今VR頭戴設備的顯示器與用戶眼睛之間的距離很小，因此該體驗的最佳分辨率僅為約15 PPD。為了達到人眼的分辨率極限和水平160°和垂直175°的視場，微型顯示器需要約2億像素。對于2英寸方形面板，這相當于每英寸約7100個像素。為了進一步將VR頭顯縮小到普通眼鏡的大小，顯示面板的尺寸需要進一步縮小，并且可能需要高達每英寸10,000個像素。相比之下，最新一代智能手機（例如 Apple iPhone 13）的像素密度約為每英寸460像素。各種微顯示器已被應用于VR頭戴設備中，其中最著名的包括有機發光二極管(OLED)和液晶顯示器(LCD)。每種技術都有其獨特的優勢和局限性。OLED型是反應型。然而，當前的OLED顯示屏在高亮度下運行時，往往退化得更快。由一個獨立的背光照明單元產生的發光二極管使這些顯示系統體積更大。盡管如此，作為一個好處，它們可以依靠非常明亮和健壯的無機發光二極管，從整體上看，它們會顯示出更持久的效果。支持超過30000 cd/m2的高亮度(或“nits，”一個單位，用于測量每個區域發出的光的數量)也是VR頭戴設備的一個巨大優勢。然而，隨著更好的光學器件和更節能、更耐用的 OLED 的快速發展，OLED 很可能會成為未來VR系統的首選技術，而不是LCD，因為它們本質上尺寸更小，重量更輕。OLED顯示器的商業化始于2010年左右智能手機的開發。顯示器具有紅、綠、藍 (RGB) 并排像素結構，通過精細金屬掩模沉積材料制成。對于這些 RGB-OLED，獨立的原色子像素可實現卓越的能效、亮度和色純度。不幸的是，對金屬掩模的需求帶來了嚴重的制造挑戰，阻礙了RGB-OLED用于具有幾微米像素的微型顯示器和大尺寸電視。促使了濾色白色OLED的發展，它的制造不依賴于掩模。顏色是通過在白色OLED上方放置原色濾鏡產生的——類似于前面提到的LCD設計。由于不需要屏蔽，彩色過濾OLED在制造過程中比RGB-OLED更具可擴展性。它們已經被廣泛應用于各種產品，從幾微米的像素化顯示器到大型的、平方米規模的面板。RGB-OLED是目前用于VR頭盔的技術，角度分辨率約為15 PPD，與之相比，濾色白色OLED的分辨率可達60 PPD。由于濾光器的工作原理是去除有價值的光子，因此濾光器的濾光器在工作過程中會過濾掉有價值的光子，因此濾光器所使用的定色方法本質上是低效的。因此，如果有一個紅色光子從紅色像素中出來，濾波器就會吸收一個綠色光子和一個藍色光子，然后就會在那里浪費了三分之二的產出。這種低效率意味著更高的功耗或更低的亮度。這一固有的設計缺陷可以通過在電致發光單元之間疊加一個“電荷產生層”來加以改進。這在概念上是很有前途的，因為這一層可以作為一個接口電極向燈光輸送電力，但它也會在密集排列的彩色像素之間產生嚴重的電串擾。為了提高發光效率和像素密度，一種被稱為“元OLED”的新型OLED最近被提出。傳統的微腔OLED已經表明，利用光學共振來增強特定顏色的光提取是可能的。這類似于一個聲腔，比如笛子的聲腔，只共振并發出一定頻率的聲波。在元OLED中，反射鏡上的納米圖案決定了發射光的顏色。這種架構不需要使用有機碳。在每英寸10,000像素的超高像素密度下進行，接近可見光波長所設定的基本物理極限。元OLED還可以實現更高的效率和更好的顏色清晰度比其前身。因為可以設計成與頻率相關的圖案超敏鏡的反射相位，所以元有機發光二極管也可以避免傳統微腔有機發光二極管中的光學串擾。元OLED技術目前正引起各公司的興趣，并有可能成為首批商業化的超材料技術之一。除了制造更小、更好的顯示器外，還有其他途徑可以進行改進。通過這種方法，可以使視野擴大，而不必過度依賴鏡頭。從電子材料的角度來看，單晶硅背板為每個單獨的像素提供動力可能是最合適的，但要使其彎曲是一項挑戰。對于性能和靈活性高的缺陷，使用絕緣體上硅技術和機械研磨的幾種可持續的方法已經被證明，但成本和大規模生產問題仍然存在。另一個改進的途徑是在人類生物學中找到黑客。例如，超高的像素密度在整個過程中是不需要的。據研究，人眼的60-PPD敏感度僅在視網膜中心的一小部分附近是真實的，稱為中央凹。只有當用戶凝視圖像時，圖像才會以最高分辨率呈現，這可以通過降低周邊視覺的圖像質量來極大地減輕圖形處理器的工作負載。它還可以減少由未優化的VR體驗引起的暈動病。中心凹渲染可以自動模糊用戶的周邊視覺，這已經被證明可以緩解VR引起的暈動病。然而，一個有效的中心凹顯示器將需要一個加在中間的物體的運動，這給整體設計增加了另一個層面的復雜性。話雖如此，如果它能夠減少運動傳感器、處理渲染和顯示的響應時間，從而從用戶的角度創造足夠流暢的體驗，那么中心點渲染系統可能是改善VR體驗最直接可實現的下一步。總之，各種顯示概念的引入必然是循序漸進的。對于許多實際應用來說，VR硬件并不需要非常完美。在從移動設備到可穿戴設備的過渡過程中，許多公司面臨著這樣的挑戰。如果這種轉變發生，它將導致人類與數字世界互動方式的重大范式轉變。這可能就是為什么幾乎所有的主要電子公司目前都在向AR和VR技術投入大量資源的原因。在未來的幾年里，如果虛擬現實頭盔的商業利益仍然很高，這里提到的各種前沿技術應該開始被發現，并幫助進一步普及虛擬現實和增強現實技術的使用。
參考文獻：
Won-Jae Joo, Mark L. Brongersma. Creating the ultimate virtual reality display-Scientists are exploring new material designs to make smaller and denser pixel displays. Science, 377, 1376-1378, (2022). https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7011
