JDI：新技術(shù)實(shí)現(xiàn)HMD光學(xué)系統(tǒng)輕薄化，有望2026年實(shí)現(xiàn)商用

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，日本顯示器公司（Japan Display Inc.，以下簡稱為“JDI”）在今年五月份于美國召開的“SID Display Week 2022”上，做了有關(guān)“采用了偏光激光背光和全息圖（Holographic）光學(xué)系統(tǒng)的輕薄型HMD（頭戴式顯示屏，Helmet Mounted Display）”的演講。

JDI依靠新技術(shù)將HMD里搭載的光學(xué)系統(tǒng)做得更輕薄，從而縮短了LCD圖像顯示和眼睛之間的距離，該技術(shù)為HMD的輕量化、薄型化作出了貢獻(xiàn)。此次，針對(duì)JDI的技術(shù)內(nèi)容和未來展望，電子Device產(chǎn)業(yè)新聞采訪了JDI研發(fā)總部材料研發(fā)部材料研發(fā)第一課的高橋泰哲先生。

研發(fā)總部材料研發(fā)部材料研發(fā)第一課，高橋泰哲先生。（圖片出自：電子Device產(chǎn)業(yè)新聞）

Q：2020年，美國Meta公司發(fā)布了一款采用了全息光學(xué)系統(tǒng)的薄型HMD。該設(shè)備采用“Pancake”的光學(xué)結(jié)構(gòu)，采用全息光學(xué)元件、激光背光LCD，屬全球首例。

高橋：為減輕因長時(shí)間佩戴HMD引起的疲勞感和壓力，亟待需要將HMD做得像太陽鏡一樣輕薄。美國Meta公司已經(jīng)發(fā)布解決上述課題的技術(shù)。JDI也通過采用偏光激光背光技術(shù)和全息光學(xué)元件（Holographic Optical Elements，以下簡稱為：“HOE”），解決了“Pancake”光學(xué)結(jié)構(gòu)和激光背光組合表現(xiàn)出的光利用率低的問題。

“Pancake”光學(xué)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于傳統(tǒng)的光學(xué)鏡片（Lens），該方案利用兩片1/4λ波長板、凹面半反鏡（Half Mirror）和凹面狀的反射偏光片等材料控制偏光狀態(tài)，從而獲得約3倍的光路長度。利用該系統(tǒng)可縮短從LCD到人眼的光（圖像）的距離。

Q：請(qǐng)介紹以下貴司的技術(shù)。

高橋：JDI在2020年發(fā)布了一款可提高激光背光LCD光利用率的偏光激光背光。通過將用于“Pancake”光學(xué)結(jié)構(gòu)的凹面半反鏡改為HOE，并將其扁薄化（Flat），同時(shí)也使反射偏光板扁薄化，從而使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕薄。最終使兩塊凸起的“Pancake”都變成了扁平結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的鏡片式光學(xué)系統(tǒng)厚度約為41mm，而JDI的產(chǎn)品為16mm，厚度削減了一半以上。

HOE具有較高的波長選擇性，因此最適合使用發(fā)光波幅較窄的激光背光。此外，考慮到“Pancake”光學(xué)結(jié)構(gòu)的取光效率和激光背光的發(fā)光效率，需要偏光激光背光可以發(fā)出與偏光片透過軸一致的光。通過研發(fā)上述偏光激光背光，我們獲得了較高的光利用效率。我們把一種不會(huì)改變光偏光方向的特殊材料“Zero-zero Birefringence Polymer”應(yīng)用于偏光激光背光的導(dǎo)光板上，理論上可以將光100%穿過LCD。

通常情況下，無論是多么理想的LCD，都會(huì)丟失偏光片透過軸以外的光，導(dǎo)致光利用率減半。此外，雖然可將“Pancake”光學(xué)結(jié)構(gòu)做得較薄，但經(jīng)過各類材料的反射，從LCD出來的光的利用率最大僅有25%。但利用JDI的技術(shù)可以使背光本身發(fā)出偏光，因此可將LCD面板的透過率提高至以往（無偏光背光）的兩倍。

Q：2020年，貴司發(fā)布該技術(shù)并應(yīng)用于17.3英寸的IPS LCD，請(qǐng)介紹一下與HMD應(yīng)用方向的不同點(diǎn)。

高橋：我們的偏光激光背光采用上下兩片導(dǎo)光板，上側(cè)透過左邊的激光，下側(cè)透過右邊的激光。利用上述結(jié)構(gòu)，可以充分獲取光的“混合區(qū)域（Mixing Area）”，實(shí)現(xiàn)均勻的輝度（偏光度）分布。

但是，與傳統(tǒng)的LCD不同，用于HMD的顯示屏形狀為正方形，且左右眼分別采用一塊面板。當(dāng)單塊LCD面板上放有單塊背光時(shí)，由于激光的前進(jìn)性較高，因此存在難以確保光的“混合區(qū)域”的問題。于是，我們將一片偏光激光背光應(yīng)用于左右眼兩片LCD面板，并應(yīng)用于HMD。在一片背光上嵌入兩片上下重合的導(dǎo)光板，一片導(dǎo)光板將從左側(cè)進(jìn)入的光引至右眼的LCD面板，另一塊導(dǎo)光板將從右側(cè)進(jìn)入的光引至左眼的LCD面板，從而獲得足夠的混合光。利用上述結(jié)構(gòu)，可以獲得平均值高達(dá)90.1%的均勻偏光度。與無偏光的激光背光相比，相當(dāng)于將輝度提高了1.9倍。

此外，為了確認(rèn)色彩的再現(xiàn)性，用試做的可全彩顯示的臺(tái)式樣機(jī)（Benchtop Prototype）顯示圖像后發(fā)現(xiàn)，BT.2020的覆蓋率達(dá)到98%。

Q：請(qǐng)介紹一下對(duì)未來的展望。

高橋：我們的目標(biāo)是在2026年實(shí)現(xiàn)商用。為了收集各類意見，我們特地公布了此項(xiàng)技術(shù)。我們會(huì)把樣機(jī)做的更輕薄，但也需要從客戶處了解其真正必須的厚度。因此未來我們將在聽取客戶意見的同時(shí)，繼續(xù)研發(fā)。

HOE的作用與凹面鏡相同，因此我們已經(jīng)從材料廠家采購體積全息材料。此次的樣機(jī)采用的是一種涂覆于玻璃基板上的材料，但也可以用薄膜代替該材料，因此，可將厚度減薄數(shù)十~100um。整個(gè)光學(xué)組件的厚度也會(huì)比現(xiàn)在（目前為16mm）更薄。如果光學(xué)組件（包括顯示屏）可以實(shí)現(xiàn)薄型化、輕量化，HMD的塑料框體應(yīng)該也可以實(shí)現(xiàn)薄型化和輕量化，最終將有助于改良整個(gè)產(chǎn)品。

JDI的目標(biāo)不僅是要實(shí)現(xiàn)小型化，還要在VR領(lǐng)域里為客戶提供“虛實(shí)難辨”的畫質(zhì)。未來的目標(biāo)是使用如太陽鏡般輕巧的設(shè)備來欣賞精彩的圖像，而不是當(dāng)前的又大又重的HMD。