显示专家Guttag CES分享：FlexEnable柔性技术的光学应用

　　近眼显示技术专家卡尔·古塔格(Karl Guttag)正继续分享自己的CES之旅。本次的分析对象是FlexEnable。

　　位于英国剑桥的FlexEnable专注于柔性技术。团队表示，专有的FlexiOM材料可以为柔性、超薄和轻质的有源光学器件和显示器带来最高的光学性能和最低的成本。这家公司有参展CES 2023大会，而下面是古塔格分享的具体整理：

　　引言

　　FlexEnable正在开发可能影响AR、VR和MR的技术。FlexEnable提供了类似于Meta Materials(请区分马克·扎克伯格治下的Meta Plaforms)的调光技术方案。所以在某种程度上，本文是对Meta Materials博文的更新。

　　另外，FlexEnable具有液晶电子透镜技术，而且团队同时致力于可弯曲的Biaxially Curved LCD技术。除了直接显示用途外，可以根据需要弯曲显示屏的能力将可以在AR和VR发挥用武之地。曲面LCD在超宽视场系统中特别有用。

　　FlexEnable：用于调光、电子透镜、嵌入式电路/晶体管、以及曲面LCD的柔性/可模制LC

　　FlexEnable拥有众多用于制作有趣光学技术的器件结构，它们结合了定制液晶(LC)、三乙酰纤维素(TAC)薄膜、聚合物晶体管和电子电路。尽管Flexenable具备生产原型的实验室，但其业务模式主要是通过设计、开发和调整技术，以支持客户将其转移至制造设施的要求。

　　TAC薄膜通常用于偏振器中，因为它们具有高透光率和低双折射率(可变延迟，因此偏振变化)。与大多数塑料不同，TAC在弯曲或加热到其玻化点(变成橡胶状但不熔化)并模塑成双轴曲线时可以保持其低双折射。通过双轴弯曲，它们可以匹配透镜的曲率或其他产品特征。

　　FlexEnable的双轴可固化调光

　　FlexEnable调光方法与传统玻璃LC设备的制造方法类似。不同的是，团队使用TAC薄膜来封装LC而不是玻璃。FlexEnable开发了一种非偏振LC，当施加电场时，它可以变暗或变亮(非驱动状态可以是透明或黑暗状态)。对于AR而言，当未驱动时，通常会首选透明状态。

　　为了形成双轴弯曲调光器，将TAC材料加热至其玻化点(约150°C)以进行模塑。下面是透明和黑暗状态下的cell结构和弯曲调光器的示例。

　　调光技术的需求

　　正如对Meta Materials调光技术的介绍，光学AR中存在着支持电子控制调光的巨大需求： 不需要光被偏振 在不调光时具有高度透明的状态。

　　从白天的室外到较暗的环境，电子调光支持AR头显用于各种环境光照条件。它可以提高虚拟内的辨识度，同时不会向眼睛发射非常明亮的光线。这不仅会降低系统功耗，而且对眼睛而言更舒服。

　　Magic Leap已通过其Magic Leap 2的分段调光技术证明了电子调光的有用性。然而，Magic Leap 2方法最大的问题是：它使用了基于偏振的调光，而这在最透明的状态下会阻挡大约65%的光(在波导之后阻挡大约80%)。

　　我曾讨论过这个问题，认为这是一个面向投资者而非用户的解决方案。AR中对阻挡光的渴望不可否认，但在大多数应用中，在最透明的状态下阻挡80%的光不可接受。

　　调光范围和速度

　　两个主要因素影响变暗范围和切换速度：LC组成和cell间隙厚度。对于给定的LC组成，间隙越厚，在透射和暗状态下阻挡的光就越多。

　　与大多数LC材料一样，切换速度的增加大致与方形cell间隙厚度成反比。例如，若cell间隙为一半厚，LC的切换速度将快约4倍。FlexEnable未准备公布切换速度。

　　下面的图表显示了当前可能的调光范围，其中包含不同的LC组成和cell厚度。

　　分段/像素化调光

　　快速切换速度对于支持分段调光(例如Magic Leap 2)变得尤为重要，因为调光切换速度需要与显示器一样快。串联堆叠两个薄cell可以提供更快的切换和更大的动态范围。

　　FlexEnable支持无源和有源(晶体管)电路来分段/像素化并控制调光。

　　电子控制透镜

　　FlexEnable同时在开发GRIN LC透镜。对于这种类型的LC，电场会改变LC的折射率，从而产生可切换的透镜效果。折射率变化的效果属于偏振特定，所以为了控制非偏振光，需要一个双层sandwich(见下方)。

　　GRIN透镜的可切换optical power可以通过加厚cell间隙来增加，但如前所述，LC切换的速度将降低至大约cell间隙厚度的平方。所以，可以使用类似菲涅耳的方法。不过，尽管可以实现更薄和更快的切换透镜，但它存在菲涅耳型光学问题。

　　当用于VR(例如Meta的Half Dome 3)时，光线可以被偏振，因此每个可切换透镜只需要一层。

　　在电子可切换光学领域存在大量的很多研究，例如DeepOptics。

　　微型机电对焦：Cambridge Mechatronics和poLight

　　我在CES上遇到了Cambridge Mechatronics和poLight，它们有微型机电对焦和光学图像稳定组件，可用于手机和AR摄像头。Cambridge Mechatronics使用形状记忆合金线来移动传统光学器件以实现对焦和稳定。poLight则使用压电致动器在透明但柔性的光学材料弯曲透明可变形薄膜，从而形成可变透镜。它们同时可以致使刚性表面相对于柔性光学材料倾斜，以控制光学图像稳定和像素移动(通常称为wobulation)。我计划在未来的文章中详细介绍这两种技术，但我想在这里提一下它们可以作为LC控制可变焦点的替代品。

　　聚合物晶体管和电路

　　FlexEnable同时开发了聚合物半导体，而他们声称其性能优于无定形硅晶体管(通常用于平板显示器)。更高的性能转化为更小的晶体管。这种晶体管可以在有源矩阵控制更高分辨率的器件。

　　Biaxially Curved LCD

　　将FlexEnable的技术(包括曲面LCD、电路和聚合物半导体)结合起来可以制造Biaxially Curved LCD原型显示器。

　　曲面显示器在制造非常超宽视场显示器方面变得有利。在AWE 2022，Red 6进行了一次私人演示，并展示了一款100度视场的军用AR头显。所述设备在眼睛移动时没有图像失真，而它配备的正是曲面LCD。光学设计咨询公司Pulsar开发了使用曲面显示器和Red 6原型的光学系统。Red 6/Pulsar使用的是曲面玻璃LCD显示器，而不是FlexEnable的产品类型，但这表明曲面显示器确实更有优势。

　　结论

　　从近期来看，我发现非偏振电子调光功能对AR来说最为有趣。尽管FlexEnable没有声称拥有Meta Materials的光到暗范围，但它们似乎可以提供足够的范围，尤其是在透明端。当然，我们必须再看看他们产品的切换速度是否足够快，从而支持分段调光。

　　在可以双轴弯曲的薄膜中使用电子调光，不少人认为这要比Meta Material的刚性透镜式调光技术具有设计优势。目前看来，Meta Materials至少在规格方面展示了从透明到暗状态的广泛动态范围。我预计Flexenable的LC特性将继续改善。

　　业内将电子可变透镜视为解决视觉辐辏调节冲突(VAC)的一种方法。它们将与眼动追踪或其他方法相结合，以根据用户视线移动焦点。在AR中解决VAC更加复杂。为了防止现实世界中的焦点变化，预补偿可切换透镜必须抵消对现实世界的影响。这种复杂性很可能会阻止它们迅速用于光学AR以应对VAR。

　　Biaxially Curved LCD似乎在宽视场应用中提供了光学优势。