10月19日至20日,由工业和信息化部、江西省人民政府共同主办的2023世界VR产业大会在江西南昌召开。10月20日,由国际信息显示学会中国区(SID China)承办的近眼显示主题论坛成功举办。该论坛汇聚近眼显示领域上下游企业,共同探讨当前的技术路线、关键挑战和产业发展趋势,助力近眼显示产业化发展。
东南大学显示技术研究中心主任、教授张宇宁指出,由于显示器件形态固化问题,厂商要想实现产品的大尺寸、高沉浸、高分辨率,就需要把屏幕做得很大,这势必导致材料成本的增加。而用“小器件”实现“大画面”能够打破这种限制。
从技术层面来看,用“小器件”实现“大画面”的技术路径主要有两种:一种是通过传统几何光学原理(反射、折射)等控制光场;另一种是通过衍射实现光场调控。不过,满足传统几何光学原理的材料厚度一般更高,体积也更大。而衍射光学材料对精密度的要求更高,在器件的节约程度上可以做到更好,能够实现薄膜化。而衍射光学则分为两种流派:一种是表面浮雕,即在器件上实现表面形貌的变化,尺寸可达到光波长量级;另一种是体全息,即控制内部折射率分布,同样形成衍射功能,光栅材料、制备工艺、仿真设计是体全息光波导的三大主要核心技术。
北京耐德佳显示技术有限公司总经理、联合创始人段家喜认为,轻薄化、小型化及宽幅高分辨率是近眼显示发展的重要趋势,但在开发AR近眼显示产品时会遇到很多难题。
其一,根据扩展量守恒定律,显示屏越小分辨率越低,所能开发的视场就会越小;其二,视场分辨率也是一大限制,视场角越大角分辨率越低,会影响用户体验;其三,与传统的显示装备相比,无论显示屏是满足视场角超过100度,或是达到360度环屏宽幅高分辨率,都对近眼显示系统提出了更高要求。
根据传统VR光学设计和pancake设计对比情况,在同等或是光学指标进一步优化的情况下,曲面半径可以实现更高清晰度的显示,也更容易加工和制造。
基于此,耐德佳公司团队提出了一种紧凑的,满足宽视场、大EPD和良好图像质量的折反式VR—HMD系统,并认为这种设计将会取代传统的VR镜头,成为VR显示技术发展的必然趋势。
京东方科技集团股份有限公司VR事业研发总监谢建云指出,作为VR头显的主流显示技术,Fast LCD存在两个需要攻克的核心问题:一个是像素密度(PPI)相对较低,另一个是响应延迟。
为此,京东方推出了新的Fast LCD技术,目前该技术的响应时间大约为3毫秒,比普通LCD 25毫秒的响应时间提升近十倍。而新的Fast LCD技术之所以能实现更快的响应,是由于低Gap技术的加持,但是低Gap技术也会产生问题,尤其是光学均一性问题。
提升高精细工艺管控能力是解决光学均一性问题的关键环节之一。在产品迭代的过程中,同样需要像素密度的提高,光学规格的迭代,以及透过率等指标的提升。
4K Fast LCD需要VR/AR视网膜级的屏幕,这也是Fast LCD领域亟待突破的关键。同时,4K Fast LCD对光学规格也提出了更高要求。后续系统算法、系统内容的叠加,有望带动整个近眼显示产业链的发展,让VR走进千家万户。
南京芯视元电子有限公司董事总经理何军指出,硅基微显示的发展面临两大难点:一是进入门槛非常高,硅基微显示涉及微电子、光学、结构材料等三大类十余个学科;二是研发成本高,作为面向未来的技术领域,硅基微显示的迭代研发需要消耗的成本非常高。
Micro LED就是硅基微显示技术的其中一种。虽然Micro LED是近眼显示领域较好的载体,但是Micro LED在像素小型化方面正面临均一性、合色和彩色化等挑战。Micro OLED是硅基微显示技术的另一种路线,其制造过程面临硅基平整度和均一性问题,存在极限。还有一种硅基微显示技术是硅基液晶(LCoS)。生产硅基液晶不仅要求液晶屏生产线要做到超净,还需要经历几十道工序,生产非常困难。总体来看,硅基微显示技术在1英寸以下的屏幕市场中更具竞争力。
VIVIDQ公司副总裁、全球业务总监斯特凡·因内霍费尔表示,虽然当前比较主流的VR产品销售情况良好,但VR产业发展还有很多需要改进的地方。其中,VR的舒适度就是能够决定用户是否使用VR的关键因素。
数据显示,2020年,用户在VR游戏中所花费的平均时间仅有32分钟。当用户戴上VR设备时常出现不适情况。观看舒适度是开发VR设备时必须面对的现实问题,而解决这个问题有多种方案,比如可以用光场显示方式,可以用计算机生成全息技术(CGH)的方式,还可以采取变焦和多焦的方式。但是,注视的距离或者焦距过短仍会影响用户体验。
相比之下,采用计算机生成全息技术能够更好地呈现实时景象。与此同时,采取精准修正方式能够提升VR设备的舒适性,且由于不同臂长调整所带来的互动变化,也可以通过不断调整距离来实现不同图像的呈现效果,以达到沉浸感。此外,计算机生成全息技术也能够帮助实现软件中动态、定向的校正。
北京灵犀微光科技有限公司创始人兼CEO郑昱指出,消费级XR应用需要具备低廉的价格,同时要能平衡功耗、算力和显示效果,从这个角度来看,OST(光学透视)是一个非常重要的方向,而光波导是其中一项重要技术。
在光强利用率或光效方面,阵列光波导可以实现10%的量级,相对于衍射有较大优势。在颜色方面,阵列光波导对于颜色的还原度能够达到理想效果,整体偏色效果与正常显示器差异较小。在环境适应性方面,阵列光波导同样有很大提升。进一步而言,二维扩瞳光波导可以把整体光机体系做得很小,阵列光波导的二维实现形式能够提升用户体验。但需要看到的是,二维产品在量产性方面仍和一维产品有一定差距,目前亟待解决良率问题。就此而言,构建从镀膜、贴合、抛光、组装到测试的自动化产线,是阵列光波导二维产品实现量产的关键。
雷鸟创新技术(深圳)有限公司CEO李宏伟指出,目前,VR产业还处在“硬件定义”的阶段。在此阶段,厂商首先要在硬件方面实现重要突破。
光学显示是硬件方面最核心的部分,目前该部分正面临光学显示、人机交互、AI算力、功耗等一系列问题。消费级AR眼镜对光学显示系统有高透、高亮要求。
具体而言,高透指的是能让用户看清楚现实场景,高亮指的是能让用户在各种环境下使用VR设备。从高透、高亮角度来看,衍射波导在量产性成本方面具备优势。从发光器件角度而言,Micro LED是未来的终极方案。
具体来看,Micro LED具有非常高的亮度,同时消耗的功耗非常低,且在刷新率、尺寸等方面也有较大潜力。当前,单片全彩Micro LED尚未实现量产,要解决这一问题,就要实现RGB三色完美的耦合。此外,为了最终量产的稳定性,还要对光引擎进行性能测试和显示调校,以保证产品良率。
湖北星纪魅族科技有限公司XR显示技术首席专家詹志锋表示,当前,AR眼镜在微显示领域的显示技术有LCoS(硅基液晶显示)、DLP(数字光处理)和LBS(激光扫描)等。
然而,近年来,具备小型化、轻量化、分辨率高、亮度高、功耗低等特点的Micro LED技术日渐成熟。基于此,“Micro LED+波导”更有望实现消费级AR眼镜。
但需要注意的是,Micro LED作为未来消费级AR眼镜的重要实现路径,仍然面临全彩化问题。例如,合色方案的问题是高成本;垂直堆叠方式能够提升光效,但相关产品的量产仍需要等待几年;采用量子点技术能够实现全彩,但亮度及PPI仍然偏低;动态像素调制方案可以通过改变电流密度来改变波长,以实现全彩显示,但该方案在驱动方面难度较大,目前仍处于学术研究阶段。