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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
研究背景
电影中，在各种虚拟现实设备的帮助下，玩家们“可以做任何事，去任何地方”，给人感觉都和现实一样。电影终归是电影，类似的技术何时才能真正上市。经过几十年的相对休眠，增强和虚拟现实(AR和VR)成为当今发展最快的消费产品技术之一。对这些头戴设备日益增长的市场需求是由网络驱动的，网络涉及教育、医疗，当然还有游戏。然而，要让普通大众更大规模地采用这项技术，就需要耳机更小、更轻、处理能力更强。由于两者之间的内在权衡，对显示器尺寸更小和分辨率更高的竞争需求尤其具有挑战性。虚拟现实显示技术的最新进展可能有助于实现这一目标。
关键问题
要让普通大众更大规模地采用这项技术，就需要设备更小、更轻、处理能力更强。但仍存在以下问题：
1、虚拟现实头盔戴在头上时仍然很笨重
它们通常有几英寸厚，大部分体积被光学元件占据，中间有很大的空隙。
2、无法在可见光光谱中工作
新型的超表面可以对不同入射角的光波进行操作，这些新提出的组件中有许多在不产生严重像差的情况下无法在可见光光谱中工作。
3、亮度降低
折叠光学的好处是以降低亮度为代价的，因为偏振器和波片的存在。
新思路
有鉴于此， Won-Jae Joo和Mark L. Brongersma在Science期刊上展望了目前科学家们正在探索新的材料设计，以制造更小、更密集的像素显示器。
技术方案：
1、在AR和VR系统的设计中，在尺寸和高效光线管理之间权衡
使用所谓的“波导光学合成器”的AR设计具有超薄的优点，但缺点是光传输效率低。如果这种权衡被证明是不可避免的，那么开发高效的微显示器将对这些耳机的小型化至关重要。
2、像素考量保证图像质量
由于当今VR头戴设备的显示器与用户眼睛之间的距离很小，因此该体验的最佳分辨率仅为约15 PPD。为了达到人眼的分辨率极限和水平160°和垂直175°的视场，微型显示器需要约2亿像素。
3、微显示器的广泛应用
最著名的包括有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)。随着更好的光学器件和更节能、更耐用的OLED的快速发展，OLED很可能会成为未来VR系统的首选技术，而不是LCD。
4、滤色白色OLEDs的发展
颜色是通过在白色OLEDs上方放置原色滤镜产生的——类似于前面提到的LCD设计。由于不需要屏蔽，彩色过滤OLEDs在制造过程中比RGB-OLEDs更具可扩展性。
5、一种被称为“元OLED”的新型OLED最近被提出
在元OLED中，反射镜上的纳米图案决定了发射光的颜色。这种架构不需要使用有机碳。元OLED还可以实现更高的效率和更好的颜色清晰度比其前身。图 虚拟现实耳机可以通过减小设备尺寸并提高其大视场的感知分辨率来受益于具有更密集像素的微型显示器
技术优势：
1、显示面板可能高达每英寸10,000个像素
由于当今VR头戴设备的显示器与用户眼睛之间的距离很小，因此该体验的最佳分辨率仅为约15 PPD。为了达到人眼的分辨率极限和水平160°和垂直 175° 的视场，微型显示器需要约2亿像素。为了进一步将VR头显缩小到普通眼镜大小，显示面板尺寸需要进一步缩小，并需要高达每英寸10,000个像素。
2、无机发光二极管会显示出更持久的效果，支持超过30000 cd/m2的高亮度
由一个独立的背光照明单元产生的发光二极管使这些显示系统体积更大。尽管如此，可以依靠非常明亮和健壮的无机发光二极管，会显示出更持久的效果。支持超过30000 cd/m2的高亮度也是VR头戴设备的一个巨大优势。
技术细节
在AR和VR系统的设计中，这种在尺寸和高效光线管理之间的权衡是很常见的。例如，使用所谓的“波导光学合成器”的AR设计具有超薄的优点，但缺点是光传输效率低。这意味着超过95%的由显示器产生的光在到达眼睛之前就已经丢失了。如果这种权衡被证明是不可避免的，那么开发高效的微显示器将对这些耳机的小型化至关重要。除了前置的尺寸外，它的图像质量也很重要。具有20/20视力的人可以在其视野中心附近分辨出约60像素/度 (PPD)。对于具有8000像素（8K分辨率）的75英寸超高清电视，观看者从10英尺外看到的分辨率大于200 PPD。然而，由于当今VR头戴设备的显示器与用户眼睛之间的距离很小，因此该体验的最佳分辨率仅为约15 PPD。为了达到人眼的分辨率极限和水平160°和垂直175°的视场，微型显示器需要约2亿像素。对于2英寸方形面板，这相当于每英寸约7100个像素。为了进一步将VR头显缩小到普通眼镜的大小，显示面板的尺寸需要进一步缩小，并且可能需要高达每英寸10,000个像素。相比之下，最新一代智能手机（例如 Apple iPhone 13）的像素密度约为每英寸460像素。各种微显示器已被应用于VR头戴设备中，其中最著名的包括有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)。每种技术都有其独特的优势和局限性。OLED型是反应型。然而，当前的OLED显示屏在高亮度下运行时，往往退化得更快。由一个独立的背光照明单元产生的发光二极管使这些显示系统体积更大。尽管如此，作为一个好处，它们可以依靠非常明亮和健壮的无机发光二极管，从整体上看，它们会显示出更持久的效果。支持超过30000 cd/m2的高亮度(或“nits，”一个单位，用于测量每个区域发出的光的数量)也是VR头戴设备的一个巨大优势。然而，随着更好的光学器件和更节能、更耐用的 OLED 的快速发展，OLED 很可能会成为未来VR系统的首选技术，而不是LCD，因为它们本质上尺寸更小，重量更轻。OLED显示器的商业化始于2010年左右智能手机的开发。显示器具有红、绿、蓝 (RGB) 并排像素结构，通过精细金属掩模沉积材料制成。对于这些 RGB-OLED，独立的原色子像素可实现卓越的能效、亮度和色纯度。不幸的是，对金属掩模的需求带来了严重的制造挑战，阻碍了RGB-OLED用于具有几微米像素的微型显示器和大尺寸电视。促使了滤色白色OLED的发展，它的制造不依赖于掩模。颜色是通过在白色OLED上方放置原色滤镜产生的——类似于前面提到的LCD设计。由于不需要屏蔽，彩色过滤OLED在制造过程中比RGB-OLED更具可扩展性。它们已经被广泛应用于各种产品，从几微米的像素化显示器到大型的、平方米规模的面板。RGB-OLED是目前用于VR头盔的技术，角度分辨率约为15 PPD，与之相比，滤色白色OLED的分辨率可达60 PPD。由于滤光器的工作原理是去除有价值的光子，因此滤光器的滤光器在工作过程中会过滤掉有价值的光子，因此滤光器所使用的定色方法本质上是低效的。因此，如果有一个红色光子从红色像素中出来，滤波器就会吸收一个绿色光子和一个蓝色光子，然后就会在那里浪费了三分之二的产出。这种低效率意味着更高的功耗或更低的亮度。这一固有的设计缺陷可以通过在电致发光单元之间叠加一个“电荷产生层”来加以改进。这在概念上是很有前途的，因为这一层可以作为一个接口电极向灯光输送电力，但它也会在密集排列的彩色像素之间产生严重的电串扰。为了提高发光效率和像素密度，一种被称为“元OLED”的新型OLED最近被提出。传统的微腔OLED已经表明，利用光学共振来增强特定颜色的光提取是可能的。这类似于一个声腔，比如笛子的声腔，只共振并发出一定频率的声波。在元OLED中，反射镜上的纳米图案决定了发射光的颜色。这种架构不需要使用有机碳。在每英寸10,000像素的超高像素密度下进行，接近可见光波长所设定的基本物理极限。元OLED还可以实现更高的效率和更好的颜色清晰度比其前身。因为可以设计成与频率相关的图案超敏镜的反射相位，所以元有机发光二极管也可以避免传统微腔有机发光二极管中的光学串扰。元OLED技术目前正引起各公司的兴趣，并有可能成为首批商业化的超材料技术之一。除了制造更小、更好的显示器外，还有其他途径可以进行改进。通过这种方法，可以使视野扩大，而不必过度依赖镜头。从电子材料的角度来看，单晶硅背板为每个单独的像素提供动力可能是最合适的，但要使其弯曲是一项挑战。对于性能和灵活性高的缺陷，使用绝缘体上硅技术和机械研磨的几种可持续的方法已经被证明，但成本和大规模生产问题仍然存在。另一个改进的途径是在人类生物学中找到黑客。例如，超高的像素密度在整个过程中是不需要的。据研究，人眼的60-PPD敏感度仅在视网膜中心的一小部分附近是真实的，称为中央凹。只有当用户凝视图像时，图像才会以最高分辨率呈现，这可以通过降低周边视觉的图像质量来极大地减轻图形处理器的工作负载。它还可以减少由未优化的VR体验引起的晕动病。中心凹渲染可以自动模糊用户的周边视觉，这已经被证明可以缓解VR引起的晕动病。然而，一个有效的中心凹显示器将需要一个加在中间的物体的运动，这给整体设计增加了另一个层面的复杂性。话虽如此，如果它能够减少运动传感器、处理渲染和显示的响应时间，从而从用户的角度创造足够流畅的体验，那么中心点渲染系统可能是改善VR体验最直接可实现的下一步。总之，各种显示概念的引入必然是循序渐进的。对于许多实际应用来说，VR硬件并不需要非常完美。在从移动设备到可穿戴设备的过渡过程中，许多公司面临着这样的挑战。如果这种转变发生，它将导致人类与数字世界互动方式的重大范式转变。这可能就是为什么几乎所有的主要电子公司目前都在向AR和VR技术投入大量资源的原因。在未来的几年里，如果虚拟现实头盔的商业利益仍然很高，这里提到的各种前沿技术应该开始被发现，并帮助进一步普及虚拟现实和增强现实技术的使用。
参考文献：
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
