| 導讀 | 

液晶顯示設備已經在我們的日常生活中無處不在；它們的應用范圍從智能手表、智能手機、平板電腦、電腦顯示器、電視、數據投影儀，到增強現實（AR）和虛擬現實（VR）顯示。

經過對液晶器件的不斷研究開發和對制造技術的大量投資，液晶顯示器和 OLED 顯示器已成為顯示器業界的主導技術。與傳統顯示器不同，AR 和 VR 提供了人與數字信息的沉浸式交互，被廣泛認為是下一代頭戴式顯示器。

在過去的二十年中，先進的液晶材料和超薄的液晶功能器件等新興技術，極大地重塑了 AR/VR 顯示系統，使這種突破性的顯示平臺真正融入人們的生活。與此同時，近眼顯示與液晶器件相輔相成，推動產生了許多令人印象深刻的支持 AR/VR 的新型液晶設備。

為此，美國中佛羅里達大學吳詩聰教授團隊在 Light: Science & Applications 發表綜述文章，題為 Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: Principles and Applications。本文作者為美國中佛羅里達大學博士生尹坤，通訊作者為吳詩聰教授。

AR/VR顯示系統中的先進液晶器件 

VR 顯示為用戶構建了一個完全數字化并且令人身臨其境的虛擬環境。與此相對， AR 顯示追求高質量的透視性能，通過疊加數字信息內容來豐富現實世界。憑借這些令人耳目一新的視覺體驗，AR/VR 顯示器已經展示了廣泛的吸引力和巨大的應用潛力。對于 VR 系統，顯示模塊的發光區域通常為 2 至 3 英寸大小，通過精心設計的光學放大系統生成具有足夠視場角的虛擬圖像。

圖 1a 描繪了 VR 光學系統的示意圖。VR 顯示需要通過虛擬影像，提供滿足人眼需求的超高視覺體驗，因此圖像深度信息，分辨率，出瞳大小，視場角等關鍵參數都對光學系統提出了嚴峻的挑戰。對于 AR 系統，微顯示模塊會提供與現實世界重疊的數字化虛擬信息。

圖 1：基于液晶技術的多種液晶光電響應器件及其在AR/VR系統中廣泛應用

圖 1b 描繪了具有光學耦合器的AR 系統一般草圖。與具有 2 到 3 英寸顯示面板的 VR 相比，AR 中的光引擎要小得多。而縮小光學尺寸意味著某些光學性能的犧牲，這其中最具有代表性的就是光學不變量限制下視場角和出瞳尺寸之間的相互妥協，尤其是對于類似眼鏡的緊湊型AR系統。

因此如何在有限的光學系統體積中滿足甚至超越上述AR/VR系統的性能要求，成為一個亟待解決且影響重大的研究課題。這其中，具有獨特光學特性和光電響應的先進液晶器件受到廣泛關注并已實際應用于 AR/VR 顯示，涵蓋從光引擎到光學元件的所有關鍵組件。

目前主要有三大類新型液晶器件被廣泛用于AR/VR 系統中來支持和提升系統的光學性能（圖 1）。它們分別是用于 VR 的微型液晶顯示器、用于 AR/VR 光引擎和全息成像的高分辨率密度、高亮度的硅基液晶 （LCoS），以及接近 100% 光效率的超薄液晶光學器件。這三類液晶功能器件涵蓋了從光引擎、光學成像、光學補償等各種功能組件，為整個AR/VR系統的小型化和高品質圖像帶來新的曙光。

? 優化系統能耗

為了實現高分辨率密度和快速響應時間，用于 VR 頭顯的微型液晶顯示器因小孔徑比和向錯線而導致透光率低。

如果進一步考慮彩色濾光片和偏光片的吸收損失，VR 頭顯的液晶面板的總透光率僅為 2-3% 左右，而這僅是面板本身的效率。

如果進一步考慮整個光學構架，如圖2右所示折疊式VR系統，液晶顯示屏發出的光具有較大的發光角，其中只有部分被透鏡收集而進入人眼被觀察到的則更少，其余的光均被損耗甚至造成不必要的鬼影。

因此，對于結構緊湊，電池和光學部件尺寸都亟待縮小的VR頭顯來說，低效率是一個迫切需要解決的問題。

圖 2：VR系統中的折疊光路（右圖）和圖像質量對比（左圖）

對于光學系統部分來說，背光系統與角分布調制結合可以收縮發散角從而提高收光效率。但是在光學不變量的限制下，小角分布會導致嚴重的漸暈。因此，空間分布的角方向調制需要進一步補充進系統，實現區域性的主光線角度控制，以確保提高光學系統效率的同時保證圖像質量。此外，mini-LED 背光技術顯示 HDR 圖像在 VR 系統中可以提升圖像質量從而進一步提供更好的沉浸式體驗（圖 2 左）。 

? 提供全息圖像

與透射式液晶顯示器相比，反射式 LCoS 面板結合了液晶的電光效應和高性能 CMOS 電子器件，可提供高填充因子 (>90%)、高分辨率、緊湊的外形尺寸和高畫幅率。

由于出色的光調制能力，振幅和相位的 LCoS 器件都是 AR/VR 應用的重要光引擎。特別是與其他相位調制器相比，例如微機電系統 （MEMS），相位 LCoS 器件，也稱為空間光調制器 （SLM）在多級相位調制、低驅動電壓和相對低廉的成本方面表現突出。因此，大多數用于 AR/VR 應用的全息顯示器都是通過 SLM 實現的。

目前幅度調制 LCoS 已經作為光機被廣泛應用在 AR 產品中，如 HoloLens 1、Magic Leap 1 和 2，Lumus等產品。值得一提的是，高分辨率 SLM 可以直接控制照明波前，允許支持計算全息視圖。

圖 3 展示了用于AR（左）和VR（右）系統的示意圖。生成的全息圖像表現出像真實 3D 物體一樣的自然聚焦和模糊效果，對于 AR/VR 顯示的進一步提升和 3D 場景顯示提供了切實可行的解決方案。

圖 3：基于液晶的 SLM 在 AR（左圖）和 VR（右圖）系統的光路展示

? 緊湊光學結構

除了液晶顯示器和 LCoS 之外，液晶還表現出其他一些吸引人的特性，例如聚合和光圖案化特性。這些特性可用于研究新型光子器件，被稱為液晶平面光學器件。

它具有超薄的外形尺寸、接近 100% 的光學效率、強大的偏振選擇性和動態切換能力。基于不同的液晶分子排布，可以實現透射式和反射式兩種不同的工作模式（圖 4 左）。這些液晶平面光學器件在AR/VR 系統中可以有效縮減系統結構，例如輔助折疊光路（圖 4 右）從而實現緊湊型光學結構。

圖 4：液晶平面光學器件（左圖）及折疊系統的光路展示（右圖）

實現滿足人眼需求的緊湊型近眼顯示系統對于光學和電學都無疑是一個巨大的挑戰。而基于液晶獨特光電響應的新型液晶器件為這一領域帶來了新的曙光。這些液晶器件在緊湊結構的同時提供各種光學調制，以實現高效、高分辨率、高自由度的光束控制。不可否認的是這其中依舊有很多挑戰，包括但不僅限于進一步提高效率，實現更高的分辨率，更廣的光譜和角度響應等等。而同時，新型液晶器件與特殊材料、機器學習、自由曲面、超表面等技術的深度結合，為實現AR/VR系統的更進一步的突破提供了新的希望。

| 論文信息 |

Yin, K., Hsiang, EL., Zou, J. et al. Advanced liquid crystal devices for augmented reality and virtual reality displays: principles and applications. Light Sci Appl 11, 161 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00851-3

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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