研究透视：Science评述-打造极致虚拟现实 | 显示材料-超表面
科学家们，正探索新的显示材料，从而设计制造更小、更致密的像素显示器。经过几十年的相对长眠，增强现实和虚拟现实augmented and virtual reality（AR 和 VR）是，当今发展最快的消费产品技术之一。对这些头盔器件，不断增长的市场需求，也源自于广泛应用的推动，从社交网络到教育、医学，当然还有游戏。然而，当公众更大规模地先用该技术时，必将要求头盔更小、更轻、更便宜，并具有更强的数据处理能力。这两者之间存在着固有的权衡，因此，对显示器件更小和更高分辨率的竞争需求，尤其极具挑战性。今日，韩国 三星电子(Samsung Electronics)Won-Jae Joo，美国 斯坦福大学（Stanford University）Mark L. Brongersma，在Science上发表评述文章，论述了虚拟现实VR 显示技术的最新进展，并有助于实现当前不断增长的虚拟现实VR头盔品质需求。Creating the ultimate virtual reality display。打造极致虚拟现实展示。
虚拟现实头盔Virtual reality headsets，通过减小器件尺寸并提高其大视场的感知分辨率，这得益于更密集像素的微型显示器。图片来自：PAU BARRENA/AFP/GETTY IMAGES。
当今，市售的虚拟现实VR头戴式头盔，戴在头上时，仍然体积过大且不灵便。通常要有几英寸厚，光学元器件占据了大部分空间，中间还有很大的空白空间。采用更薄的菲涅耳透镜和/或称为超表面的先进纳米结构薄膜，已经实现了一定程度的小型化 (1-3)。然而，经过这些改进后，各种光学元件与显示器之间的空间，仍然很大，并且这些空间，不能轻易地通过这些方法进一步压缩。可能需要针对不同入射角，操纵光波的新型超表面，才能实现进一步的小型化 (4, 5)。目前，许多新提出的组件，在不产生严重像差的情况下，无法在可见光谱范围内工作。还有提出了光学设计，例如，使用更短焦距的全息透镜或微透镜阵列，这可以将透镜到显示器的距离减少 2 倍 (6)。另一种，进一步缩小头盔尺寸的提议设计方法，涉及使用所谓的折叠光学器件，例如“饼干镜头pancake lens”。同时，折叠式光学元件来回反射，主要来自显示器的光，可以使尺寸减小 3 倍。然而，折叠式光学元件的好处是，以降低亮度为代价的，因为存在偏振器和波片。
这种尺寸和高效光管理之间的权衡，在增强现实AR和虚拟现实VR 系统的设计中，极为普遍。例如，使用所谓的“波导光学组合器waveguide optical combiner”虚拟现实AR 设计，具有超薄的优点，但缺点是光传输效率低。这意味着显示器产生超过 95% 光，在到达眼睛时会流失 (7)。如果说，这种权衡是不可避免的，那么高效微显示器的开发，对于这些头盔的小型化，就越发是至关重要的。
除了头盔尺寸大小，其画质也很重要的。20/20 视力的人，可以在其视野中心附近区分 ～60 像素/度 (PPD)。那么，对于8000 像素（8K分辨率）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，由于当今虚拟现实 VR 头戴设备的显示器和用户眼睛之间的距离很小，这种体验的最佳分辨率仅为 ～15 PPD。为了达到人眼的分辨率极限和水平 160° 和垂直 175° 视场，微型显示器，需要约 2 亿像素。对于 2 英寸方形面板 (8)，这相当于每英寸约 7100 个像素。为了进一步将虚拟现实VR头盔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）像素密度，也仅约为每英寸 460 像素。
各种微型显示器，目前已用于虚拟现实 VR 头盔，其中，最著名的是有机发光二极管organic light-emitting diode (OLED) 和液晶显示器liquid crystal display(LCD)。每种技术，都有其特定的优势和局限性。有机发光二极管OLED 提供更大的对比度和更广泛的颜色范围，以及更快的响应和更薄的外形。然而，当前的有机发光二极管OLED 显示器，在以高亮度运行时，往往会更快地退化。相比之下，液晶显示器LCD 调制，来自单独的背光单元的光发射，这使得这些显示系统，更加庞大。尽管作为一个好处，可以依靠非常明亮和坚固的无机液晶显示器LED 来提供背光，这使得 wwvvv 显示器，整体更加耐用。支持超过 30,000 cd/m2（或“尼特”，用于测量每个区域发出的光量单位）高亮度的能力，也是虚拟现实 VR 头盔机的一大优势。然而，随着更好的光学器件和更节能、更耐用的有机发光二极管OLED 快速发展，有机发光二极管OLED，很可能成为未来虚拟现实VR 系统的首选技术，而不是液晶显示器 LCD，因有机发光二极管OLED固有的尺寸和重量更小。
有机发光二极管OLED显示器的商业化，起始于 2010 年左右，源起于智能手机的开发。显示器呈现红、绿、蓝 (RGB) 并排像素结构，通过精细金属掩模沉积材料制成。对于这些红绿蓝-有机发光二极管 RGB-OLED，独立原色子像素，可实现卓越的能效、亮度和色纯度。不过，对金属掩模的需求，带来了严峻的制造挑战，阻碍了红绿蓝-有机发光二极管 RGB-OLED 用于具有几微米像素的微型显示器和大尺寸电视 (9, 10)。
同时，这也促进了滤色白色有机发光二极管OLED研发，其制造不依赖于掩膜。颜色是通过在白色有机发光二极管OLED上放置原色滤光片生成的，即类似于前面提到的 液晶显示器LCD设计。因其不需要掩膜，所以滤色有机发光二极管OLED，在制造过程中比红绿蓝-有机发光二极管RGB-OLED，更具可扩展性。并已用于各种产品，从几微米的像素化显示器到大型的平方米级面板 (11)。与红绿蓝-有机发光二极管RGB-OLED 相比，这种彩色滤光白色有机发光二极管OLED是，目前用于虚拟现实VR 头戴式设备的关键技术，角度分辨率约为 15 PPD， 可实现高达 60 PPD分辨率。
然而，彩色过滤白色有机发光二极管OLED，使用的颜色定义方法本质上是低效的，因为过滤器是通过去除有机发光二极管OLED刚刚产生的光子来工作。因此，对于从红色像素出来的每个红色光子，滤光片会吸收一个绿色光子和一个蓝色光子，因此会“浪费”三分之二的输出。这种低效率意味着更高的功耗或更低的亮度。这种固有的设计缺陷，可以通过使用两个或多个电致发光单元堆叠在一起的结构来改善，其间有一个“电荷产生层charge generation layer”。这在概念上，很有前景，因为该层，可以充当界面电极来为灯供电，但也会在密集的彩色像素之间产生严重的电串扰。
为了获得更高的发光效率和像素密度，最近提出了一种称为“meta-OLED”新型有机发光二极管 OLED（见图）（12）。传统微腔有机发光二极管 OLED 已经表明，可以利用光学共振来增强特定颜色的光提取。这类似于声腔，比如长笛，只共振并发出特定频率的声波。在超有机发光二极管meta-OLED中，镜子上的纳米图案，决定了发射光的颜色。这种架构不需要使用彩色滤光片或精细金属掩模。由此产生的超有机发光二极管meta-OLED显示器，可以以 > 10,000 像素/英寸的超高像素密度实现，这接近可见光波长设定的基本物理极限。超有机发光二极管Meta-OLED，还可以实现比其前辈更高的效率和更好的色彩清晰度。由于图案化超镜的反射相位，可以设计为与频率相关，因此超超有机发光二极管Meta-OLED，还可以规避传统微腔有机发光二极管OLED出现的光学串扰。超有机发光二极管Meta-OLED 技术，目前正在产业界的兴趣，并有望成为首批商业化的超材料技术之一。
像素显示器的近期发展：在智能手机和电视制造商推动像素小型化数十年后，虚拟现实头盔制造商，已加入开发更密集、更节能的微型显示器的前沿。
除了创造更小更好的显示器外，还有其他提升增强现实AR和虚拟现实VR设备的途径。例如，曲面屏幕的使用，可以扩大视野，而无需过度依赖镜头。为了给每个单独的像素供电，从电子材料的角度来看，单晶硅背板，可能是最合适的，但要使其弯曲度，却是极具挑战性。对于高性能和灵活性的超薄硅膜，已经证明了几种使用绝缘体上硅技术和机械研磨的可持续方法，但成本和大规模生产问题，仍然存在 (13)。另一个改进的途径是，在人类生物学中找到黑客。例如，在整个视场中，并不总是需要超高像素密度。上述人眼的 60-PPD 灵敏度，仅在视网膜中心的一小部分附近是真实的，称为中央凹fovea centralis。中央凹型显示器（仅在用户注视时，才以最高分辨率渲染图像）可以通过降低周边视觉中的图像质量，从而大大减轻图形处理器的工作量（13、14）。还可以减少由未经优化的虚拟现实VR 体验引起的晕动。中央凹Foveated渲染，可以自动模糊用户的周边视觉，可以缓解虚拟现实VR 引起的晕动 (15)。然而，有效的中心点显示，需要准确跟踪用户的眼睛和头部运动，这为整体设计增加了另一个维度的复杂性。话虽如此，如果，能够减少运动传感器、处理渲染和显示的响应时间，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，改善虚拟现实VR 体验，最直接可实现的下一步。
各种显示概念的引入，必然是循序渐进的。对于很多实际应用，虚拟现实VR硬件，并不需要完美。许多新的用例，正在不断涌现，并前触发从移动设备到可穿戴设备的过渡。如果这种转变发生，也必将开创人类与数字世界交互方式的重大范式转变。这也许是全球几乎所有主要电子公司目前都在 AR 和 VR 技术上投入大量资源的关键所在。在未来几年（如果对虚拟现实VR头盔商业化的兴致依然很高的话）这里提到的各种尖端技术，应该会开始进入消费产品，并有助于进一步普及虚拟现实VR 和增强现实AR技术的使用。
参考文献
1. P. Lalanne, P. Chavel, Laser Photonics Rev. 11, 1600295(2017). 2. G.-Y. Lee et al., Nat. Commun. 9, 4562 (2018). 3. Z. Li et al., Sci. Adv. 7, eabe4458 (2021). 4. C. Guo, H. Wang, S. Fan, Optica 7, 1133 (2020). 5. O. Reshef et al., Nat. Commun. 12, 3512 (2021). 6. J. Ratcliff, A. Supikov, S. Alfaro, R. Azuma, IEEE Trans.Vis. Comput. Graph. 26, 1981 (2020). 7. J. D. Waldern, A. J. Grant, M. M. Popovich, SID Symp.Dig. Tech. Pap. 51, 49 (2020). 8. A. K. Bhowmik, “Recent Developments in Virtual-Reality and Augmented-Reality Technologies,” Information Display 6/17, 2017, p. 20. 9. C. Xiang et al., Light Sci. Appl. 2, e74 (2013). 10. A. Ghosh et al., SID Symp. Dig. Tech. Pap. 47, 837(2016). 11. H.-J. Kim et al., SID Symp. Dig. Tech. Pap.12, 526(2016). 12. W.-J. Joo et al., Science 370, 459 (2020). 13. R. Hussain et al., Sensors 21, 4006 (2021). 14. G. Tan et al., Opt. Express 26, 25076 (2018). 15. H. Buhler et al., in 2018 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR) (IEEE, 2018), pp.517–519.
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7011DOI: 10.1126/science.abq7011本文译自Science
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