lexEnable開發柔性液晶薄膜：解決AR和VR設備中光學性能和穿戴舒適性問題
CINNO Research產業資訊，虛擬現實（VR）和一些增強現實（AR）光學系統的共同開發目標是在用戶周圍創建與現實世界無法區分的虛擬對象。業界經常將實現這一點，稱為“通過視覺圖靈測試”。除了具有實現這一目標所需的計算能力和光學性能外，VR和AR設備通常還必須要盡可能地輕便舒適，以帶來身臨其境的體驗，這一點對一些需要長時間穿戴的設備來說尤為重要。
根據外媒SID官網顯示，總的來說，這些設備的開發目標是在增加或改進光學和計算性能的同時，減輕產品的重量，實際上這二者一般都是矛盾的，所以想要同時解決這兩個問題極具挑戰。另外，這些頭戴式設備體積的減小也是一個重要因素，目前大多數頭戴式AR或VR設備，其內部光線所通過的許多表面都是雙軸彎曲的，例如固定透鏡或護目鏡。為了保證光學效果，設計人員通常需要在這些曲面旁邊貼附平坦的光學膜，這樣做一般都會額外增加體積。
不過幸運的是，設計人員現在可以利用液晶（LC）技術來控制、調制和聚焦光線，這些將能夠為AR和VR頭戴式設備的優化帶來重大可能。也許，大家最熟悉的情況是這些液晶材料主要用于液晶顯示器（LCD），不過，因為具有特殊的光學各向異性（如雙折射），這些材料也可以用來制造各種可切換型光學器件。目前，這些液晶光學器件可用于控制源自任何類型顯示器的光，無論是OLED、Micro-LED還是硅基液晶（LCOS）顯示器。現在，FlexEnable公司就在其幾個AR和VR設備開發中，展示了這種技術為其帶來的性能和舒適性的提升。
挑戰：融合虛擬與現實
對于透視型AR設備來說，在包含高亮度真實世界的環境中無縫渲染出數字場景和對象是一項非常大的挑戰。在這種情況下，因為環境亮度很高，生成的虛擬對象會淹沒在環境中，此時虛擬圖像的對比度和可見性會非常不理想。舉個實際的例子，此時設計人員想要在保持顏色精度（包括黑色）的同時實現真實對象遮擋虛擬對象，就幾乎不可能。
液晶解決方案：通過環境光調節（Ambient Dimming）將虛擬和真實對象完美融合
在具有高對比度的環境中，為了確保虛擬對象和環境之間的無縫融合效果，在渲染虛擬圖像時，設計人員需要具有全局或局部、動態調整真實世界感知亮度的能力。
理論上，野蠻地增加顯示亮度是方案之一，但這對于AR頭戴式設備來說是完全不切實際的，原因很簡單，即亮度的增加會帶來功耗的急劇上升。這反過來又讓熱管理、電池設計以及設備的尺寸和重量設計變得掣肘。
一個更聰明的解決方案是在光學疊層設計中增加一種可控的環境光調節元件，理論上，該元件要可以隨著真實世界的照明條件，以及渲染和遮擋要求的變化而切換（如圖1所示）。
圖1. 增強現實環境調光示例
挑戰：焦點深度與輻輳調節沖突
在用戶試圖通過眼睛觀察一個虛擬對象的時候，假如該虛擬對象的感知深度和光學系統的固定焦距接近，那么就不會有輻輳調節沖突問題，也就是說用戶不會有不協調的糟糕體驗。相反，如果虛擬對象需要在不同的聚焦深度（例如，離用戶很近）下觀看，那么虛擬對象的部分將會看起來變模糊。此時，圖像實際聚焦深度與用戶眼睛通過“三角測量”方式看到的圖像深度不同，用戶大腦會被混淆（圖2），長時間的混淆會造成眩暈等問題。
圖2. 虛擬現實應用中的輻輳調節沖突問題示意
這就是該領域通常提到的輻輳調節沖突（VAC，Vergence-Accommodation Conflict），其中輻輳（Vergence）是指眼睛通過“三角測量”方式體驗對象深度的方式，這種方式可以模擬用戶雙眼視覺觀察真實物體。調節（Accommodation）是指用戶眼睛晶狀體的調節，正是晶狀體的調節讓用戶可以根據對象的距離聚焦。通常，這兩個眼球的調節運動是以一個共同的距離協同作用的（如圖2中左邊示意），以實現收斂和調節。但是現在很多AR/VR設備中，用戶大腦接收到關于收斂和調節所暗示的距離明顯不同（如圖2右邊示意），這會引起用戶不適。
通常情況下，設計人員在AR和VR設備中會使用一些固定的光學器件，其目的是為用戶提供一個焦距約為2米到無窮遠處的虛像。據研究表明，1.25到5米之間有一個用戶焦點“舒適區”，目前絕大多數AR和VR設備制造商都在這一距離范圍中呈現畫面內容（如圖3所示）。
圖3. 微軟研究中，用戶觀看虛擬現實畫面的最佳或“舒適區域”
液晶解決方案：使用一種可調諧液晶透鏡來控制焦距
目前開發方向中，快速可調型液晶透鏡是一種能夠在克服（校正）上述VAC問題的同時，擴大焦點舒適區的方法，它能夠有效地、動態地調整顯示器的焦距以適應其所需要虛像的預期深度。FlexEnable幾個小組利用專門設計的液晶材料開發了各種結構的可調諧液晶透鏡。
例如，如果這些頭戴式VR和AR設備設計了一個0.5屈光度的固定光學鏡頭，那么來自無窮遠處的圖像總會在離人眼2米遠處聚焦。現在，如果在該固定透鏡的表面再設計一個可切換調節的液晶透鏡，該透鏡可以在-0.5屈光度和+0.5屈光度之間切換，這樣整個產品的屈光度就能夠在0到1之間調節。也就是說，該設備將能夠允許用戶觀看虛擬物體的焦距在1米和無窮大之間調節切換。
光學設計與舒適度優化
隨著市場上越來越多的VR和AR設備和類型的出現，評論家們開始關注這些設備在使用過程中的舒適度，其中甚至還包括產品脫下之后留在皮膚上的痕跡。最近，美國消費者新聞與商業頻道（CNBC）的記者索菲亞·皮特（Sofia Pitt）在一篇評論中就附上了一張她長時間使用一款頭戴式設備后額頭上留下的痕跡照片。實際上，用戶對這些頭戴式設備中一些較重部件距離設備中軸線的距離非常敏感，通常這里提到的較重部件就是指一些最靠前的光學器件和光引擎。
實際上，在產品的設計生產過程中，制造商在批量生產前的最后一分鐘修改設計也是很常見的，不過這些設計變更通常都會影響到很多外部組件。一旦治工具和生產工藝確定下來，設計人員就很難在通過改變光學器件來降低最終產品的重量。因此，制造商有必要從一開始，就要平衡好產品性能和重量。
放棄使用玻璃：增加功能，減輕重量，提高舒適度
盡管玻璃基液晶盒已經存在了幾十年了，但在AR和VR設備開發中，它的重量和厚度一直為人詬病，這一點對于某些設計尤為明顯，這些產品的設計中，每個光學模塊通常都包括多個液晶盒。使用多個液晶盒的原因有兩個，第一是聚焦非偏振光，在這種應用中，設計人員通常會將兩個液晶盒以吸收軸正交的方式貼合在一起。第二是增加顯示的動態范圍，在這種應用中，設計人員通常需要將多個液晶盒堆疊在一起（以增加總的屈光度）。這些過程中，幾乎所有的增加重量都源自液晶單元的玻璃基板。
所以從這個角度出發，取消液晶盒中的玻璃基板將能夠帶來很大的好處。這其中就包括調節環境光和引入可調諧透鏡，這樣做與玻璃基液晶盒方案相比，基本不會增加成品重量。
制造工藝
直到最近，無玻璃型液晶盒光學器件的制造一直都具有非常大的挑戰性。與形成晶體管和其他必要薄膜組件所需工藝溫度兼容的非玻璃基板，其光學性能一般都不能和玻璃基板媲美。但是現在，隨著有機電子器件的發展，它為我們帶來了一種獨特的解決方案，它能夠提供一種光學效果非常理想的柔性基板。
針對于此，FlexEnable開發了一套完整的低溫制造工藝，用于在超薄柔性基板上生產液晶盒光學器件和有機薄膜晶體管（OTFT）。該制造過程是在重新調整用途的平板顯示器（FPD）生產線中進行的。由此制造出的柔性液晶盒光學元件可以進一步通過熱成型工藝，貼附到具有復雜雙軸曲率的光學表面上。這樣的柔性方案能夠在為AR和VR應用提供功能的同時，幾乎不增加額外的重量或厚度，實際上，一個典型的柔性液晶單元只有100μm厚。此外，在需要的情況下，這種方案還可以通過多層堆疊的方式提高屈光度和其他性能。
為了在現有的FPD生產線中大規模制造柔性液晶盒光學器件，所選用柔性基板必須要與其工藝溫度兼容，同時還要與所使用的其他材料在化學層面兼容。三乙酰纖維素（TAC）薄膜是一種被廣泛使用的低成本薄膜，常用于偏光片制造，FlexEnable之所以選擇它，是因為它滿足有機電子制造的熱要求，同時它還具有很多優異的光學性能。另外，TAC薄膜也是一種生物塑料，這意味著它能夠用木漿（與紙張的原材料相同）等可再生資源制成。
VR和AR應用中的光學設計考量：TAC和玻璃
一般情況下，玻璃具有非常優異的光學性能，具有如下：
非常高的光透過率；
零雙折射（處于平坦狀態）；
無色；
低霧度；
如果要在AR和VR應用中表現良好，柔性TAC必須要盡可能地與上述玻璃特性匹配。如下表1比較了三種“常見”基板塑料（PI、PET和TAC）與玻璃的光學特性。
基板
|
FPD玻璃
|
無色PI
|
PET
|
TAC
|
厚度(um)
|
~400
|
30
|
50
|
40
|
光透過率(%)
|
＞92%
|
＜90%
|
~85%
|
＞93%
|
雙折射Rth(nm)
|
~0
|
135
|
2,400
|
~0
|
霧度(%)
|
＜0.01
|
~1
|
4
|
＜0.3
|
黃化指數(b*)
|
接近于0
|
~2
|
0.8
|
~0
|
注：FPD：平板顯示器；PET：聚對苯二甲酸乙二醇酯；PI：聚酰亞胺；TAC：三乙酰纖維素，數據來源：FlexEnable
從表中看，TAC的光學性能與玻璃的匹配度遠高于其他替代品，這也是FlexEnable最終選用的原因之一。利用TAC材料，FlexEnable能夠制造出具有優良光學性能的柔性液晶盒單元，這些液晶盒單元薄而輕，并且符合AR/VR光學應用的雙軸曲線需求（如圖4所示）。
圖4. FlexEnable使用TAC基板制作的液晶盒結構示意圖，圖片來源：FlexEnable
通過進一步結合OTFT陣列甚至OTFT驅動電路，設計人員理論上還可以實現像素級功能（例如，像素級調節環境光）。
在FlexEnable制作的樣品中，有一個孔徑為25mm、厚度約為100微米的柔性液晶盒，它的質量小于40mg，可以進一步集成有源矩陣和使用有機電子器件的集成驅動，所有這些都能夠制造在獨立的TAC膜基板上。
如下圖5顯示了一款制作在TAC膜上的、可實現環境光調節的可調諧透鏡。即使這些液晶盒被多次堆疊，其整體結構仍然非常輕薄。如前述，這些液晶盒單元可以通過堆疊在一起來增加各種不同的功能（例如，可著色透鏡）或增加動態范圍（例如，兩個相同液晶盒透鏡的堆疊可以3倍提高屈光度）。在某些情況下，設計人員還可以將不同的LC透鏡插入到光路內的不同位置，與不同的固定光學器件配對。
圖5.（a）基于TAC膜基板制作的可調節環境光的液晶盒單元，以及（b）在TAC膜基板上制作的可調諧透鏡（0.25屈光度），來源：FlexEnable
基于TAC薄膜基板制作的液晶盒單元，還有另一個優點，那就是它們可以在制造后，進一步通過雙軸熱成型工藝，與其他雙軸彎曲的固定光學器件或護目鏡貼合在一起。
雙軸曲率與熱成形工藝潛力
柔性液晶盒通常通過將柔性基板材料涂覆或貼附在玻璃載體上，在平面狀態下制造出來的。這樣做是為了在加工過程中保持產品的平面度和尺寸穩定性。
在處理之后，設計人員通過各種方式將柔性液晶盒從玻璃載體上取下，然后再將其永久地或動態地彎曲成非平面形狀，例如圓柱體或圓錐體。這些是單軸彎曲的情況，這意味著在表面任何一點上，這種柔性液晶盒，相對于顯示器仍然能夠沿著一條方向（例如，對于可折疊智能手機，該直線沿著顯示器的“脊”）。
不過，實際情況是，真實世界中的曲面都是雙軸彎曲的，曲面在給定點的任何方向上都不遵循直線規律。這種雙軸曲面的例子很多，比如球體的表面、車窗表面或可穿戴設備中的固定透鏡和AR/VR光學器件等。
在不拉伸片材的情況下，我們不可能將最初處于平面狀態的柔性液晶盒單元平滑地（沒有褶皺）包覆在雙軸曲面（如透鏡）表面。
實際上，這種理想的、雙軸拉伸可以通過熱成型來實現，這是一種通過熱和壓力拉伸的工藝，使用這種工藝的前提是所使用的材料要能夠承受軟化基板所需的應變和溫度（如圖6所示）。
圖6. 雙軸熱成型裝置示例，來源：FlexEnable
FlexEnable的制造工藝意味著，TAC等薄膜基板可以在極低的溫度（略高于100°C）下進行雙軸熱成型。TAC是柔性液晶盒應用的理想選擇，因為即使通過雙軸熱成型進行拉伸，其光學性能（例如相位延遲）也幾乎完全不受影響，這一點與玻璃不同。雖然TAC膜可以在相對較低的溫度下熱成型，但即使在高溫條件下，它在最終產品中也具有非常好的機械穩定性。正因為此，TAC薄膜如今已經被廣泛用作汽車LCD顯示器的偏光片基材。
在實驗室測試中，含有兩片40微米TAC膜的液晶盒單元在兩片TAC之間封裝了液晶材料，該柔性液晶單元能夠被雙軸熱成型為100毫米的球形半徑，并且性能沒有變化（如圖7）。
圖7. 一種雙軸熱成型有機薄膜晶體管結構，來源：FlexEnable
設計人員對OTFT晶體管陣列和完整的有機LCD顯示器進行了相同的測試，在雙軸彎曲單元之前和之后，性能都沒有變化。
以上測試結果意味著，FlexEnable擁有了制作雙軸彎曲型液晶光學器件的能力，它將能夠帶來更多前所未有的、令人興奮的新用例。實際上，我們日常生活中的許多表面既不是平面的，也不是單軸彎曲的（即具有非零階高斯曲率），需要雙軸形成的有源表面來調制、傳導和聚焦光。用例包括顯示器、可著色智能窗膜、用于AR/VR的可調諧透鏡以及用于AR設備的像素級環境光調制器件，所有這些都將受益于或需要雙軸彎曲以保形集成到現有表面上。
未來應用和技術轉讓
柔性液晶光學器件不僅可節省大量重量和厚度，還能讓有源光學薄膜完全貼合在雙軸曲面上，這能夠在極大節省體積容量的同時，提高光學性能。這里，我們盡管只就AR/VR光學中兩種使用情況進行了介紹，但實際情況是，這種工藝和材料可以應用于任何類型的液晶盒。柔性有機電子器件和液晶光學器件還有許多其他用途，FlexEnable目前正在將這項技術轉讓給四家亞洲顯示器制造商，并將于2023年開始生產。
雖然基礎OTFT平臺已經開發并在工業上應用了幾年，但在過去幾年中，將其應用于液晶盒制造，再結合熱成型工藝的開發，這些將為功能性表面開辟一個新的應用領域。本文概述了液晶盒功能的兩個例子，但還有許多其他功能正在我們的探索中（例如，Pancharatnam–Berry透鏡、光束轉向、可切換波片），當這些功都能構建在只有幾十微米厚的塑料膜上時，我們將可以通過將其堆疊起來，為各種曲面帶來難以想象的新功能。
背光模組用光學膜市場供需與預測分析報告大綱
第一章：中國背光模組用光學膜市場分析與預測
第二章：中國背光模組用光學膜市場分析與預測
第三章：中國光學級聚酯切片市場分析與預測
第四章：中國背光模組用光學膜市場主要廠商分析
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