CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和一些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）光學(xué)系統(tǒng)的共同開(kāi)發(fā)目標(biāo)是在用戶周?chē)鷦?chuàng)建與現(xiàn)實(shí)世界無(wú)法區(qū)分的虛擬對(duì)象。業(yè)界經(jīng)常將實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，稱(chēng)為“通過(guò)視覺(jué)圖靈測(cè)試”。除了具有實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的計(jì)算能力和光學(xué)性能外，VR和AR設(shè)備通常還必須要盡可能地輕便舒適，以帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)，這一點(diǎn)對(duì)一些需要長(zhǎng)時(shí)間穿戴的設(shè)備來(lái)說(shuō)尤為重要。

根據(jù)外媒SID官網(wǎng)顯示，總的來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是在增加或改進(jìn)光學(xué)和計(jì)算性能的同時(shí)，減輕產(chǎn)品的重量，實(shí)際上這二者一般都是矛盾的，所以想要同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題極具挑戰(zhàn)。另外，這些頭戴式設(shè)備體積的減小也是一個(gè)重要因素，目前大多數(shù)頭戴式AR或VR設(shè)備，其內(nèi)部光線所通過(guò)的許多表面都是雙軸彎曲的，例如固定透鏡或護(hù)目鏡。為了保證光學(xué)效果，設(shè)計(jì)人員通常需要在這些曲面旁邊貼附平坦的光學(xué)膜，這樣做一般都會(huì)額外增加體積。

不過(guò)幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以利用液晶（LC）技術(shù)來(lái)控制、調(diào)制和聚焦光線，這些將能夠?yàn)锳R和VR頭戴式設(shè)備的優(yōu)化帶來(lái)重大可能。也許，大家最熟悉的情況是這些液晶材料主要用于液晶顯示器（LCD），不過(guò)，因?yàn)榫哂刑厥獾墓鈱W(xué)各向異性（如雙折射），這些材料也可以用來(lái)制造各種可切換型光學(xué)器件。目前，這些液晶光學(xué)器件可用于控制源自任何類(lèi)型顯示器的光，無(wú)論是OLED、Micro-LED還是硅基液晶（LCOS）顯示器?，F(xiàn)在，F(xiàn)lexEnable公司就在其幾個(gè)AR和VR設(shè)備開(kāi)發(fā)中，展示了這種技術(shù)為其帶來(lái)的性能和舒適性的提升。

挑戰(zhàn)：融合虛擬與現(xiàn)實(shí)

對(duì)于透視型AR設(shè)備來(lái)說(shuō)，在包含高亮度真實(shí)世界的環(huán)境中無(wú)縫渲染出數(shù)字場(chǎng)景和對(duì)象是一項(xiàng)非常大的挑戰(zhàn)。在這種情況下，因?yàn)榄h(huán)境亮度很高，生成的虛擬對(duì)象會(huì)淹沒(méi)在環(huán)境中，此時(shí)虛擬圖像的對(duì)比度和可見(jiàn)性會(huì)非常不理想。舉個(gè)實(shí)際的例子，此時(shí)設(shè)計(jì)人員想要在保持顏色精度（包括黑色）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)真實(shí)對(duì)象遮擋虛擬對(duì)象，就幾乎不可能。

液晶解決方案：通過(guò)環(huán)境光調(diào)節(jié)（Ambient Dimming）將虛擬和真實(shí)對(duì)象完美融合

在具有高對(duì)比度的環(huán)境中，為了確保虛擬對(duì)象和環(huán)境之間的無(wú)縫融合效果，在渲染虛擬圖像時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要具有全局或局部、動(dòng)態(tài)調(diào)整真實(shí)世界感知亮度的能力。

理論上，野蠻地增加顯示亮度是方案之一，但這對(duì)于AR頭戴式設(shè)備來(lái)說(shuō)是完全不切實(shí)際的，原因很簡(jiǎn)單，即亮度的增加會(huì)帶來(lái)功耗的急劇上升。這反過(guò)來(lái)又讓熱管理、電池設(shè)計(jì)以及設(shè)備的尺寸和重量設(shè)計(jì)變得掣肘。

一個(gè)更聰明的解決方案是在光學(xué)疊層設(shè)計(jì)中增加一種可控的環(huán)境光調(diào)節(jié)元件，理論上，該元件要可以隨著真實(shí)世界的照明條件，以及渲染和遮擋要求的變化而切換（如圖1所示）。

圖1.?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境調(diào)光示例

挑戰(zhàn)：焦點(diǎn)深度與輻輳調(diào)節(jié)沖突

在用戶試圖通過(guò)眼睛觀察一個(gè)虛擬對(duì)象的時(shí)候，假如該虛擬對(duì)象的感知深度和光學(xué)系統(tǒng)的固定焦距接近，那么就不會(huì)有輻輳調(diào)節(jié)沖突問(wèn)題，也就是說(shuō)用戶不會(huì)有不協(xié)調(diào)的糟糕體驗(yàn)。相反，如果虛擬對(duì)象需要在不同的聚焦深度（例如，離用戶很近）下觀看，那么虛擬對(duì)象的部分將會(huì)看起來(lái)變模糊。此時(shí)，圖像實(shí)際聚焦深度與用戶眼睛通過(guò)“三角測(cè)量”方式看到的圖像深度不同，用戶大腦會(huì)被混淆（圖2），長(zhǎng)時(shí)間的混淆會(huì)造成眩暈等問(wèn)題。

圖2. 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的輻輳調(diào)節(jié)沖突問(wèn)題示意

這就是該領(lǐng)域通常提到的輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC，Vergence-Accommodation Conflict），其中輻輳（Vergence）是指眼睛通過(guò)“三角測(cè)量”方式體驗(yàn)對(duì)象深度的方式，這種方式可以模擬用戶雙眼視覺(jué)觀察真實(shí)物體。調(diào)節(jié)（Accommodation）是指用戶眼睛晶狀體的調(diào)節(jié)，正是晶狀體的調(diào)節(jié)讓用戶可以根據(jù)對(duì)象的距離聚焦。通常，這兩個(gè)眼球的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)是以一個(gè)共同的距離協(xié)同作用的（如圖2中左邊示意），以實(shí)現(xiàn)收斂和調(diào)節(jié)。但是現(xiàn)在很多AR/VR設(shè)備中，用戶大腦接收到關(guān)于收斂和調(diào)節(jié)所暗示的距離明顯不同（如圖2右邊示意），這會(huì)引起用戶不適。

通常情況下，設(shè)計(jì)人員在AR和VR設(shè)備中會(huì)使用一些固定的光學(xué)器件，其目的是為用戶提供一個(gè)焦距約為2米到無(wú)窮遠(yuǎn)處的虛像。據(jù)研究表明，1.25到5米之間有一個(gè)用戶焦點(diǎn)“舒適區(qū)”，目前絕大多數(shù)AR和VR設(shè)備制造商都在這一距離范圍中呈現(xiàn)畫(huà)面內(nèi)容（如圖3所示）。

圖3. 微軟研究中，用戶觀看虛擬現(xiàn)實(shí)畫(huà)面的最佳或“舒適區(qū)域”

液晶解決方案：使用一種可調(diào)諧液晶透鏡來(lái)控制焦距

目前開(kāi)發(fā)方向中，快速可調(diào)型液晶透鏡是一種能夠在克服（校正）上述VAC問(wèn)題的同時(shí)，擴(kuò)大焦點(diǎn)舒適區(qū)的方法，它能夠有效地、動(dòng)態(tài)地調(diào)整顯示器的焦距以適應(yīng)其所需要虛像的預(yù)期深度。FlexEnable幾個(gè)小組利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的液晶材料開(kāi)發(fā)了各種結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧液晶透鏡。

例如，如果這些頭戴式VR和AR設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)0.5屈光度的固定光學(xué)鏡頭，那么來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)處的圖像總會(huì)在離人眼2米遠(yuǎn)處聚焦?，F(xiàn)在，如果在該固定透鏡的表面再設(shè)計(jì)一個(gè)可切換調(diào)節(jié)的液晶透鏡，該透鏡可以在-0.5屈光度和+0.5屈光度之間切換，這樣整個(gè)產(chǎn)品的屈光度就能夠在0到1之間調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，該設(shè)備將能夠允許用戶觀看虛擬物體的焦距在1米和無(wú)窮大之間調(diào)節(jié)切換。

光學(xué)設(shè)計(jì)與舒適度優(yōu)化

隨著市場(chǎng)上越來(lái)越多的VR和AR設(shè)備和類(lèi)型的出現(xiàn)，評(píng)論家們開(kāi)始關(guān)注這些設(shè)備在使用過(guò)程中的舒適度，其中甚至還包括產(chǎn)品脫下之后留在皮膚上的痕跡。最近，美國(guó)消費(fèi)者新聞與商業(yè)頻道（CNBC）的記者索菲亞·皮特（Sofia Pitt）在一篇評(píng)論中就附上了一張她長(zhǎng)時(shí)間使用一款頭戴式設(shè)備后額頭上留下的痕跡照片。實(shí)際上，用戶對(duì)這些頭戴式設(shè)備中一些較重部件距離設(shè)備中軸線的距離非常敏感，通常這里提到的較重部件就是指一些最靠前的光學(xué)器件和光引擎。

實(shí)際上，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，制造商在批量生產(chǎn)前的最后一分鐘修改設(shè)計(jì)也是很常見(jiàn)的，不過(guò)這些設(shè)計(jì)變更通常都會(huì)影響到很多外部組件。一旦治工具和生產(chǎn)工藝確定下來(lái)，設(shè)計(jì)人員就很難在通過(guò)改變光學(xué)器件來(lái)降低最終產(chǎn)品的重量。因此，制造商有必要從一開(kāi)始，就要平衡好產(chǎn)品性能和重量。

放棄使用玻璃：增加功能，減輕重量，提高舒適度

盡管玻璃基液晶盒已經(jīng)存在了幾十年了，但在AR和VR設(shè)備開(kāi)發(fā)中，它的重量和厚度一直為人詬病，這一點(diǎn)對(duì)于某些設(shè)計(jì)尤為明顯，這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，每個(gè)光學(xué)模塊通常都包括多個(gè)液晶盒。使用多個(gè)液晶盒的原因有兩個(gè)，第一是聚焦非偏振光，在這種應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將兩個(gè)液晶盒以吸收軸正交的方式貼合在一起。第二是增加顯示的動(dòng)態(tài)范圍，在這種應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員通常需要將多個(gè)液晶盒堆疊在一起（以增加總的屈光度）。這些過(guò)程中，幾乎所有的增加重量都源自液晶單元的玻璃基板。

所以從這個(gè)角度出發(fā)，取消液晶盒中的玻璃基板將能夠帶來(lái)很大的好處。這其中就包括調(diào)節(jié)環(huán)境光和引入可調(diào)諧透鏡，這樣做與玻璃基液晶盒方案相比，基本不會(huì)增加成品重量。

制造工藝

直到最近，無(wú)玻璃型液晶盒光學(xué)器件的制造一直都具有非常大的挑戰(zhàn)性。與形成晶體管和其他必要薄膜組件所需工藝溫度兼容的非玻璃基板，其光學(xué)性能一般都不能和玻璃基板媲美。但是現(xiàn)在，隨著有機(jī)電子器件的發(fā)展，它為我們帶來(lái)了一種獨(dú)特的解決方案，它能夠提供一種光學(xué)效果非常理想的柔性基板。

針對(duì)于此，F(xiàn)lexEnable開(kāi)發(fā)了一套完整的低溫制造工藝，用于在超薄柔性基板上生產(chǎn)液晶盒光學(xué)器件和有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）。該制造過(guò)程是在重新調(diào)整用途的平板顯示器（FPD）生產(chǎn)線中進(jìn)行的。由此制造出的柔性液晶盒光學(xué)元件可以進(jìn)一步通過(guò)熱成型工藝，貼附到具有復(fù)雜雙軸曲率的光學(xué)表面上。這樣的柔性方案能夠在為AR和VR應(yīng)用提供功能的同時(shí)，幾乎不增加額外的重量或厚度，實(shí)際上，一個(gè)典型的柔性液晶單元只有100μm厚。此外，在需要的情況下，這種方案還可以通過(guò)多層堆疊的方式提高屈光度和其他性能。

為了在現(xiàn)有的FPD生產(chǎn)線中大規(guī)模制造柔性液晶盒光學(xué)器件，所選用柔性基板必須要與其工藝溫度兼容，同時(shí)還要與所使用的其他材料在化學(xué)層面兼容。三乙酰纖維素（TAC）薄膜是一種被廣泛使用的低成本薄膜，常用于偏光片制造，F(xiàn)lexEnable之所以選擇它，是因?yàn)樗鼭M足有機(jī)電子制造的熱要求，同時(shí)它還具有很多優(yōu)異的光學(xué)性能。另外，TAC薄膜也是一種生物塑料，這意味著它能夠用木漿（與紙張的原材料相同）等可再生資源制成。

VR和AR應(yīng)用中的光學(xué)設(shè)計(jì)考量：TAC和玻璃

一般情況下，玻璃具有非常優(yōu)異的光學(xué)性能，具有如下：

• 非常高的光透過(guò)率；

• 零雙折射（處于平坦?fàn)顟B(tài)）；

• 無(wú)色；

• 低霧度；

  
  

如果要在AR和VR應(yīng)用中表現(xiàn)良好，柔性TAC必須要盡可能地與上述玻璃特性匹配。如下表1比較了三種“常見(jiàn)”基板塑料（PI、PET和TAC）與玻璃的光學(xué)特性。

表1?塑料基板與玻璃基板的光學(xué)特性比較

從表中看，TAC的光學(xué)性能與玻璃的匹配度遠(yuǎn)高于其他替代品，這也是FlexEnable最終選用的原因之一。利用TAC材料，F(xiàn)lexEnable能夠制造出具有優(yōu)良光學(xué)性能的柔性液晶盒單元，這些液晶盒單元薄而輕，并且符合AR/VR光學(xué)應(yīng)用的雙軸曲線需求（如圖4所示）。

通過(guò)進(jìn)一步結(jié)合OTFT陣列甚至OTFT驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)人員理論上還可以實(shí)現(xiàn)像素級(jí)功能（例如，像素級(jí)調(diào)節(jié)環(huán)境光）。

在FlexEnable制作的樣品中，有一個(gè)孔徑為25mm、厚度約為100微米的柔性液晶盒，它的質(zhì)量小于40mg，可以進(jìn)一步集成有源矩陣和使用有機(jī)電子器件的集成驅(qū)動(dòng)，所有這些都能夠制造在獨(dú)立的TAC膜基板上。

如下圖5顯示了一款制作在TAC膜上的、可實(shí)現(xiàn)環(huán)境光調(diào)節(jié)的可調(diào)諧透鏡。即使這些液晶盒被多次堆疊，其整體結(jié)構(gòu)仍然非常輕薄。如前述，這些液晶盒單元可以通過(guò)堆疊在一起來(lái)增加各種不同的功能（例如，可著色透鏡）或增加動(dòng)態(tài)范圍（例如，兩個(gè)相同液晶盒透鏡的堆疊可以3倍提高屈光度）。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員還可以將不同的LC透鏡插入到光路內(nèi)的不同位置，與不同的固定光學(xué)器件配對(duì)。

基于TAC薄膜基板制作的液晶盒單元，還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它們可以在制造后，進(jìn)一步通過(guò)雙軸熱成型工藝，與其他雙軸彎曲的固定光學(xué)器件或護(hù)目鏡貼合在一起。

雙軸曲率與熱成形工藝潛力

柔性液晶盒通常通過(guò)將柔性基板材料涂覆或貼附在玻璃載體上，在平面狀態(tài)下制造出來(lái)的。這樣做是為了在加工過(guò)程中保持產(chǎn)品的平面度和尺寸穩(wěn)定性。

在處理之后，設(shè)計(jì)人員通過(guò)各種方式將柔性液晶盒從玻璃載體上取下，然后再將其永久地或動(dòng)態(tài)地彎曲成非平面形狀，例如圓柱體或圓錐體。這些是單軸彎曲的情況，這意味著在表面任何一點(diǎn)上，這種柔性液晶盒，相對(duì)于顯示器仍然能夠沿著一條方向（例如，對(duì)于可折疊智能手機(jī)，該直線沿著顯示器的“脊”）。

不過(guò)，實(shí)際情況是，真實(shí)世界中的曲面都是雙軸彎曲的，曲面在給定點(diǎn)的任何方向上都不遵循直線規(guī)律。這種雙軸曲面的例子很多，比如球體的表面、車(chē)窗表面或可穿戴設(shè)備中的固定透鏡和AR/VR光學(xué)器件等。

在不拉伸片材的情況下，我們不可能將最初處于平面狀態(tài)的柔性液晶盒單元平滑地（沒(méi)有褶皺）包覆在雙軸曲面（如透鏡）表面。

實(shí)際上，這種理想的、雙軸拉伸可以通過(guò)熱成型來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一種通過(guò)熱和壓力拉伸的工藝，使用這種工藝的前提是所使用的材料要能夠承受軟化基板所需的應(yīng)變和溫度（如圖6所示）。

FlexEnable的制造工藝意味著，TAC等薄膜基板可以在極低的溫度（略高于100°C）下進(jìn)行雙軸熱成型。TAC是柔性液晶盒應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)榧词雇ㄟ^(guò)雙軸熱成型進(jìn)行拉伸，其光學(xué)性能（例如相位延遲）也幾乎完全不受影響，這一點(diǎn)與玻璃不同。雖然TAC膜可以在相對(duì)較低的溫度下熱成型，但即使在高溫條件下，它在最終產(chǎn)品中也具有非常好的機(jī)械穩(wěn)定性。正因?yàn)榇耍琓AC薄膜如今已經(jīng)被廣泛用作汽車(chē)LCD顯示器的偏光片基材。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，含有兩片40微米TAC膜的液晶盒單元在兩片TAC之間封裝了液晶材料，該柔性液晶單元能夠被雙軸熱成型為100毫米的球形半徑，并且性能沒(méi)有變化（如圖7）。

設(shè)計(jì)人員對(duì)OTFT晶體管陣列和完整的有機(jī)LCD顯示器進(jìn)行了相同的測(cè)試，在雙軸彎曲單元之前和之后，性能都沒(méi)有變化。

以上測(cè)試結(jié)果意味著，F(xiàn)lexEnable擁有了制作雙軸彎曲型液晶光學(xué)器件的能力，它將能夠帶來(lái)更多前所未有的、令人興奮的新用例。實(shí)際上，我們?nèi)粘Ｉ钪械脑S多表面既不是平面的，也不是單軸彎曲的（即具有非零階高斯曲率），需要雙軸形成的有源表面來(lái)調(diào)制、傳導(dǎo)和聚焦光。用例包括顯示器、可著色智能窗膜、用于AR/VR的可調(diào)諧透鏡以及用于AR設(shè)備的像素級(jí)環(huán)境光調(diào)制器件，所有這些都將受益于或需要雙軸彎曲以保形集成到現(xiàn)有表面上。

未來(lái)應(yīng)用和技術(shù)轉(zhuǎn)讓

柔性液晶光學(xué)器件不僅可節(jié)省大量重量和厚度，還能讓有源光學(xué)薄膜完全貼合在雙軸曲面上，這能夠在極大節(jié)省體積容量的同時(shí)，提高光學(xué)性能。這里，我們盡管只就AR/VR光學(xué)中兩種使用情況進(jìn)行了介紹，但實(shí)際情況是，這種工藝和材料可以應(yīng)用于任何類(lèi)型的液晶盒。柔性有機(jī)電子器件和液晶光學(xué)器件還有許多其他用途，F(xiàn)lexEnable目前正在將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給四家亞洲顯示器制造商，并將于2023年開(kāi)始生產(chǎn)。

雖然基礎(chǔ)OTFT平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)并在工業(yè)上應(yīng)用了幾年，但在過(guò)去幾年中，將其應(yīng)用于液晶盒制造，再結(jié)合熱成型工藝的開(kāi)發(fā)，這些將為功能性表面開(kāi)辟一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文概述了液晶盒功能的兩個(gè)例子，但還有許多其他功能正在我們的探索中（例如，Pancharatnam–Berry透鏡、光束轉(zhuǎn)向、可切換波片），當(dāng)這些功都能構(gòu)建在只有幾十微米厚的塑料膜上時(shí)，我們將可以通過(guò)將其堆疊起來(lái)，為各種曲面帶來(lái)難以想象的新功能。