lexEnable开发柔性液晶薄膜：解决AR和VR设备中光学性能和穿戴舒适性问题

CINNO Research产业资讯，虚拟现实（VR）和一些增强现实（AR）光学系统的共同开发目标是在用户周围创建与现实世界无法区分的虚拟对象。业界经常将实现这一点，称为“通过视觉图灵测试”。除了具有实现这一目标所需的计算能力和光学性能外，VR和AR设备通常还必须要尽可能地轻便舒适，以带来身临其境的体验，这一点对一些需要长时间穿戴的设备来说尤为重要。

根据外媒SID官网显示，总的来说，这些设备的开发目标是在增加或改进光学和计算性能的同时，减轻产品的重量，实际上这二者一般都是矛盾的，所以想要同时解决这两个问题极具挑战。另外，这些头戴式设备体积的减小也是一个重要因素，目前大多数头戴式AR或VR设备，其内部光线所通过的许多表面都是双轴弯曲的，例如固定透镜或护目镜。为了保证光学效果，设计人员通常需要在这些曲面旁边贴附平坦的光学膜，这样做一般都会额外增加体积。

不过幸运的是，设计人员现在可以利用液晶（LC）技术来控制、调制和聚焦光线，这些将能够为AR和VR头戴式设备的优化带来重大可能。也许，大家最熟悉的情况是这些液晶材料主要用于液晶显示器（LCD），不过，因为具有特殊的光学各向异性（如双折射），这些材料也可以用来制造各种可切换型光学器件。目前，这些液晶光学器件可用于控制源自任何类型显示器的光，无论是OLED、Micro-LED还是硅基液晶（LCOS）显示器。现在，FlexEnable公司就在其几个AR和VR设备开发中，展示了这种技术为其带来的性能和舒适性的提升。

挑战：融合虚拟与现实

对于透视型AR设备来说，在包含高亮度真实世界的环境中无缝渲染出数字场景和对象是一项非常大的挑战。在这种情况下，因为环境亮度很高，生成的虚拟对象会淹没在环境中，此时虚拟图像的对比度和可见性会非常不理想。举个实际的例子，此时设计人员想要在保持颜色精度（包括黑色）的同时实现真实对象遮挡虚拟对象，就几乎不可能。

液晶解决方案：通过环境光调节（Ambient Dimming）将虚拟和真实对象完美融合

在具有高对比度的环境中，为了确保虚拟对象和环境之间的无缝融合效果，在渲染虚拟图像时，设计人员需要具有全局或局部、动态调整真实世界感知亮度的能力。

理论上，野蛮地增加显示亮度是方案之一，但这对于AR头戴式设备来说是完全不切实际的，原因很简单，即亮度的增加会带来功耗的急剧上升。这反过来又让热管理、电池设计以及设备的尺寸和重量设计变得掣肘。

一个更聪明的解决方案是在光学叠层设计中增加一种可控的环境光调节元件，理论上，该元件要可以随着真实世界的照明条件，以及渲染和遮挡要求的变化而切换（如图1所示）。

图1. 增强现实环境调光示例

挑战：焦点深度与辐辏调节冲突

在用户试图通过眼睛观察一个虚拟对象的时候，假如该虚拟对象的感知深度和光学系统的固定焦距接近，那么就不会有辐辏调节冲突问题，也就是说用户不会有不协调的糟糕体验。相反，如果虚拟对象需要在不同的聚焦深度（例如，离用户很近）下观看，那么虚拟对象的部分将会看起来变模糊。此时，图像实际聚焦深度与用户眼睛通过“三角测量”方式看到的图像深度不同，用户大脑会被混淆（图2），长时间的混淆会造成眩晕等问题。

图2. 虚拟现实应用中的辐辏调节冲突问题示意

这就是该领域通常提到的辐辏调节冲突（VAC，Vergence-Accommodation Conflict），其中辐辏（Vergence）是指眼睛通过“三角测量”方式体验对象深度的方式，这种方式可以模拟用户双眼视觉观察真实物体。调节（Accommodation）是指用户眼睛晶状体的调节，正是晶状体的调节让用户可以根据对象的距离聚焦。通常，这两个眼球的调节运动是以一个共同的距离协同作用的（如图2中左边示意），以实现收敛和调节。但是现在很多AR/VR设备中，用户大脑接收到关于收敛和调节所暗示的距离明显不同（如图2右边示意），这会引起用户不适。

通常情况下，设计人员在AR和VR设备中会使用一些固定的光学器件，其目的是为用户提供一个焦距约为2米到无穷远处的虚像。据研究表明，1.25到5米之间有一个用户焦点“舒适区”，目前绝大多数AR和VR设备制造商都在这一距离范围中呈现画面内容（如图3所示）。

图3. 微软研究中，用户观看虚拟现实画面的最佳或“舒适区域”

液晶解决方案：使用一种可调谐液晶透镜来控制焦距

目前开发方向中，快速可调型液晶透镜是一种能够在克服（校正）上述VAC问题的同时，扩大焦点舒适区的方法，它能够有效地、动态地调整显示器的焦距以适应其所需要虚像的预期深度。FlexEnable几个小组利用专门设计的液晶材料开发了各种结构的可调谐液晶透镜。

例如，如果这些头戴式VR和AR设备设计了一个0.5屈光度的固定光学镜头，那么来自无穷远处的图像总会在离人眼2米远处聚焦。现在，如果在该固定透镜的表面再设计一个可切换调节的液晶透镜，该透镜可以在-0.5屈光度和+0.5屈光度之间切换，这样整个产品的屈光度就能够在0到1之间调节。也就是说，该设备将能够允许用户观看虚拟物体的焦距在1米和无穷大之间调节切换。

光学设计与舒适度优化

随着市场上越来越多的VR和AR设备和类型的出现，评论家们开始关注这些设备在使用过程中的舒适度，其中甚至还包括产品脱下之后留在皮肤上的痕迹。最近，美国消费者新闻与商业频道（CNBC）的记者索菲亚·皮特（Sofia Pitt）在一篇评论中就附上了一张她长时间使用一款头戴式设备后额头上留下的痕迹照片。实际上，用户对这些头戴式设备中一些较重部件距离设备中轴线的距离非常敏感，通常这里提到的较重部件就是指一些最靠前的光学器件和光引擎。

实际上，在产品的设计生产过程中，制造商在批量生产前的最后一分钟修改设计也是很常见的，不过这些设计变更通常都会影响到很多外部组件。一旦治工具和生产工艺确定下来，设计人员就很难在通过改变光学器件来降低最终产品的重量。因此，制造商有必要从一开始，就要平衡好产品性能和重量。

放弃使用玻璃：增加功能，减轻重量，提高舒适度

尽管玻璃基液晶盒已经存在了几十年了，但在AR和VR设备开发中，它的重量和厚度一直为人诟病，这一点对于某些设计尤为明显，这些产品的设计中，每个光学模块通常都包括多个液晶盒。使用多个液晶盒的原因有两个，第一是聚焦非偏振光，在这种应用中，设计人员通常会将两个液晶盒以吸收轴正交的方式贴合在一起。第二是增加显示的动态范围，在这种应用中，设计人员通常需要将多个液晶盒堆叠在一起（以增加总的屈光度）。这些过程中，几乎所有的增加重量都源自液晶单元的玻璃基板。

所以从这个角度出发，取消液晶盒中的玻璃基板将能够带来很大的好处。这其中就包括调节环境光和引入可调谐透镜，这样做与玻璃基液晶盒方案相比，基本不会增加成品重量。

制造工艺

直到最近，无玻璃型液晶盒光学器件的制造一直都具有非常大的挑战性。与形成晶体管和其他必要薄膜组件所需工艺温度兼容的非玻璃基板，其光学性能一般都不能和玻璃基板媲美。但是现在，随着有机电子器件的发展，它为我们带来了一种独特的解决方案，它能够提供一种光学效果非常理想的柔性基板。

针对于此，FlexEnable开发了一套完整的低温制造工艺，用于在超薄柔性基板上生产液晶盒光学器件和有机薄膜晶体管（OTFT）。该制造过程是在重新调整用途的平板显示器（FPD）生产线中进行的。由此制造出的柔性液晶盒光学元件可以进一步通过热成型工艺，贴附到具有复杂双轴曲率的光学表面上。这样的柔性方案能够在为AR和VR应用提供功能的同时，几乎不增加额外的重量或厚度，实际上，一个典型的柔性液晶单元只有100μm厚。此外，在需要的情况下，这种方案还可以通过多层堆叠的方式提高屈光度和其他性能。

为了在现有的FPD生产线中大规模制造柔性液晶盒光学器件，所选用柔性基板必须要与其工艺温度兼容，同时还要与所使用的其他材料在化学层面兼容。三乙酰纤维素（TAC）薄膜是一种被广泛使用的低成本薄膜，常用于偏光片制造，FlexEnable之所以选择它，是因为它满足有机电子制造的热要求，同时它还具有很多优异的光学性能。另外，TAC薄膜也是一种生物塑料，这意味着它能够用木浆（与纸张的原材料相同）等可再生资源制成。

VR和AR应用中的光学设计考量：TAC和玻璃

一般情况下，玻璃具有非常优异的光学性能，具有如下：

• 非常高的光透过率；

• 零双折射（处于平坦状态）；

• 无色；

• 低雾度；

如果要在AR和VR应用中表现良好，柔性TAC必须要尽可能地与上述玻璃特性匹配。如下表1比较了三种“常见”基板塑料（PI、PET和TAC）与玻璃的光学特性。

基板

FPD玻璃

无色PI

PET

TAC

厚度(um)

~400

30

50

40

光透过率(%)

＞92%

＜90%

~85%

＞93%

双折射Rth(nm)

~0

135

2,400

~0

雾度(%)

＜0.01

~1

4

＜0.3

黄化指数(b*)

接近于0

~2

0.8

~0

注：FPD：平板显示器；PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯；PI：聚酰亚胺；TAC：三乙酰纤维素，数据来源：FlexEnable

从表中看，TAC的光学性能与玻璃的匹配度远高于其他替代品，这也是FlexEnable最终选用的原因之一。利用TAC材料，FlexEnable能够制造出具有优良光学性能的柔性液晶盒单元，这些液晶盒单元薄而轻，并且符合AR/VR光学应用的双轴曲线需求（如图4所示）。

图4. FlexEnable使用TAC基板制作的液晶盒结构示意图，图片来源：FlexEnable

通过进一步结合OTFT阵列甚至OTFT驱动电路，设计人员理论上还可以实现像素级功能（例如，像素级调节环境光）。

在FlexEnable制作的样品中，有一个孔径为25mm、厚度约为100微米的柔性液晶盒，它的质量小于40mg，可以进一步集成有源矩阵和使用有机电子器件的集成驱动，所有这些都能够制造在独立的TAC膜基板上。

如下图5显示了一款制作在TAC膜上的、可实现环境光调节的可调谐透镜。即使这些液晶盒被多次堆叠，其整体结构仍然非常轻薄。如前述，这些液晶盒单元可以通过堆叠在一起来增加各种不同的功能（例如，可着色透镜）或增加动态范围（例如，两个相同液晶盒透镜的堆叠可以3倍提高屈光度）。在某些情况下，设计人员还可以将不同的LC透镜插入到光路内的不同位置，与不同的固定光学器件配对。

图5.（a）基于TAC膜基板制作的可调节环境光的液晶盒单元，以及（b）在TAC膜基板上制作的可调谐透镜（0.25屈光度），来源：FlexEnable

基于TAC薄膜基板制作的液晶盒单元，还有另一个优点，那就是它们可以在制造后，进一步通过双轴热成型工艺，与其他双轴弯曲的固定光学器件或护目镜贴合在一起。

双轴曲率与热成形工艺潜力

柔性液晶盒通常通过将柔性基板材料涂覆或贴附在玻璃载体上，在平面状态下制造出来的。这样做是为了在加工过程中保持产品的平面度和尺寸稳定性。

在处理之后，设计人员通过各种方式将柔性液晶盒从玻璃载体上取下，然后再将其永久地或动态地弯曲成非平面形状，例如圆柱体或圆锥体。这些是单轴弯曲的情况，这意味着在表面任何一点上，这种柔性液晶盒，相对于显示器仍然能够沿着一条方向（例如，对于可折叠智能手机，该直线沿着显示器的“脊”）。

不过，实际情况是，真实世界中的曲面都是双轴弯曲的，曲面在给定点的任何方向上都不遵循直线规律。这种双轴曲面的例子很多，比如球体的表面、车窗表面或可穿戴设备中的固定透镜和AR/VR光学器件等。

在不拉伸片材的情况下，我们不可能将最初处于平面状态的柔性液晶盒单元平滑地（没有褶皱）包覆在双轴曲面（如透镜）表面。

实际上，这种理想的、双轴拉伸可以通过热成型来实现，这是一种通过热和压力拉伸的工艺，使用这种工艺的前提是所使用的材料要能够承受软化基板所需的应变和温度（如图6所示）。

图6. 双轴热成型装置示例，来源：FlexEnable

FlexEnable的制造工艺意味着，TAC等薄膜基板可以在极低的温度（略高于100°C）下进行双轴热成型。TAC是柔性液晶盒应用的理想选择，因为即使通过双轴热成型进行拉伸，其光学性能（例如相位延迟）也几乎完全不受影响，这一点与玻璃不同。虽然TAC膜可以在相对较低的温度下热成型，但即使在高温条件下，它在最终产品中也具有非常好的机械稳定性。正因为此，TAC薄膜如今已经被广泛用作汽车LCD显示器的偏光片基材。

在实验室测试中，含有两片40微米TAC膜的液晶盒单元在两片TAC之间封装了液晶材料，该柔性液晶单元能够被双轴热成型为100毫米的球形半径，并且性能没有变化（如图7）。

图7. 一种双轴热成型有机薄膜晶体管结构，来源：FlexEnable

设计人员对OTFT晶体管阵列和完整的有机LCD显示器进行了相同的测试，在双轴弯曲单元之前和之后，性能都没有变化。

以上测试结果意味着，FlexEnable拥有了制作双轴弯曲型液晶光学器件的能力，它将能够带来更多前所未有的、令人兴奋的新用例。实际上，我们日常生活中的许多表面既不是平面的，也不是单轴弯曲的（即具有非零阶高斯曲率），需要双轴形成的有源表面来调制、传导和聚焦光。用例包括显示器、可着色智能窗膜、用于AR/VR的可调谐透镜以及用于AR设备的像素级环境光调制器件，所有这些都将受益于或需要双轴弯曲以保形集成到现有表面上。

未来应用和技术转让

柔性液晶光学器件不仅可节省大量重量和厚度，还能让有源光学薄膜完全贴合在双轴曲面上，这能够在极大节省体积容量的同时，提高光学性能。这里，我们尽管只就AR/VR光学中两种使用情况进行了介绍，但实际情况是，这种工艺和材料可以应用于任何类型的液晶盒。柔性有机电子器件和液晶光学器件还有许多其他用途，FlexEnable目前正在将这项技术转让给四家亚洲显示器制造商，并将于2023年开始生产。

虽然基础OTFT平台已经开发并在工业上应用了几年，但在过去几年中，将其应用于液晶盒制造，再结合热成型工艺的开发，这些将为功能性表面开辟一个新的应用领域。本文概述了液晶盒功能的两个例子，但还有许多其他功能正在我们的探索中（例如，Pancharatnam–Berry透镜、光束转向、可切换波片），当这些功都能构建在只有几十微米厚的塑料膜上时，我们将可以通过将其堆叠起来，为各种曲面带来难以想象的新功能。

背光模组用光学膜市场供需与预测分析报告大纲

第一章：中国背光模组用光学膜市场分析与预测

第二章：中国背光模组用光学膜市场分析与预测

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