可实现电控调光、宽视场角 FlexEnable曲面液晶解析

　　曲面显示屏、可变焦液晶透镜，这些似乎是属于未来AR/VR的趋势，而实际上已经有公司在提供此类技术，而这将有望对AR/VR产生重要影响。AR/VR光学专家Karl Guttag指出，其在CES 2023看到了一家专注于柔性显示、传感器的有机电子公司：FlexEnable，该公司曾展示曲面LCD、电控液晶透镜和调光方案。Guttag认为，该公司的电子调光方案有潜力成为Meta Materials的替代技术，该技术可为VR带来电动变焦效果，近年来受到了Meta等公司关注。

　　此外，FlexEnable的LCD屏幕为双轴曲面方案，也就是说可将屏幕做成弯曲形状，在AR/VR头显中，这样的设计可能带来更宽的FOV。接下来，就一起来深度了解一下，FlexEnable到底研发了哪些可用于AR/VR的关键技术。关于双轴曲面技术

　　FlexEnable业务涵盖了定制液晶、三乙酰纤维素 (TAC) 透光薄膜、聚合物晶体管、电子电路。该公司拥有生产原型的实验室，但其商业模式主要是设计、开发和定制，而制造部分则交给外部厂商。

　　TAC薄膜具有高透光性、低双折射率特性，因此常用于偏振器中，可通过改变延迟来实现偏振变化。与大多数塑料材质不同，TAC在弯曲，或加热到玻璃化点(橡胶状但未融化)时依然能保持低双折射率，因此可以很好的塑形成双轴曲面结构，以匹配AR/VR透镜的曲度或其他特征。 关于调光技术

　　FlexEnable的调光方案与玻璃液晶屏的制造方式接近，它的不同之处在于，是采用TAC薄膜来封装，而不是玻璃。从结构上来看，是在液晶屏两侧均加上TAC薄膜。在形成双轴曲面的过程中，需要将TAC材料加热到玻璃化点(约150℃)来塑形。

　　细节方面，FlexEnable的调光技术基于非偏振液晶方案，特点是亮度由电驱动，未通电状态可以是透明或深色(AR眼镜可选高透光的方案)，具体效果如下图。

　　调光功能对于光学AR很重要，因为它可以让AR眼镜在各种照明环境中使用，不管是户外强光下还是光线暗的室内。简单来讲，该功能可以让AR图像看起来更清晰，并且可以很好的控制进入人眼的光线，从而降低耗电量、提升视觉舒适性。对于光学AR来讲，通常电子调光需要具备两大特性，一是光不会被偏振，二则是在不调光状态下具有高透光性。

　　Magic Leap 2支持分段式电子调光功能，这种方式可选择性遮光，可以更好的跟随AR内容，并使其看起来更立体。不过，由于分段调光智能实现软边遮挡(soft-edge occlusion)，因此会造成一片区域变暗。相比之下，硬边遮挡(hard-edge occlusion)可以更精确的控制每个像素的亮度，但现阶段来说光学AR几乎无法实现这一点，除非是基于VST透视的混合现实方案。

　　ML2的另一个问题，就是采用了基于偏振的调光，偏振光意味着光损，因此该AR眼镜在未调光状态下依然遮挡了65%环境光(加上光波导之后遮挡80%)，仿佛给AR眼镜加上了遮光罩，并不能很好的解决对比度、清晰度问题。 调光范围和速度

　　据了解，FlexEnable的技术具有较宽的调光范围，大约为0%到接近90%之间。实际上，调光范围和响应速度主要受到两大因素影响，一个是液晶方案，另一个则是液晶层间隙的宽度，间隙越宽，在透光状态和调暗状态下阻挡的光越多。

　　与大多数液晶材料相似，屏幕响应速度大致与方形液晶间隙大小成反比。如果间隙宽度减半，液晶屏幕的响应速度将提升约4倍。目前，FlexEnable尚未公布其液晶方案的响应速度。

　　快速响应对于AR眼镜的分段调光功能很重要，因为调光的速度应该和显示屏像素的变化同步。如果将两个薄液晶层串联堆叠，便可以同时提升响应速度和动态范围，弥补光线阻挡问题。 电控透镜

　　FlexEnable支持被动和主动(晶体管)两种分段/像素调光方式，其开发了液晶渐变折射率(GRIN)液晶透镜，可通过电场来改变液晶的折射率，从而实现透镜调光效果，不过该方案仅适用于偏振光，控制非偏振光需要双层夹层结构。GRIN透镜不需要先对光进行偏振，但需要双液晶夹层结构，而PBP需要对环境光进行偏振，这意味着50%以上光损，与LCD等偏振光屏幕结合后存在问题。

　　近年来，Meta一直在研究基于GRIN和PBP方案的调焦透镜技术，比如其专利(2020/0348528)就曾展示一种结合菲涅尔电极组合的GRIN结构透镜，这种方案也被称之为分段透镜配置(SPP)。

　　通过加宽液晶层间隙，可进一步提升GRIN透镜的光切换效率，但这将降低切换速度(响应速度)。因此，可以采用接近菲涅尔透镜的方案，好处是可将调光透镜做的更薄、响应速度更快，但具有菲涅尔透镜一样的缺点。

　　在VR中使用时(比如Meta Half Dome 3)，光线可以被偏振，因此每个可调光透镜只需单层结构。Half Dome 3采用了一系列具有二进制加权透镜功能的PBP透镜。

　　除了上述调光液晶外，poLight、剑桥机电一体化(CML)、DeepOptics等公司也分别提供了各种不同的可调光、调焦方案。 聚合物晶体管和电路

　　Guttag指出，FlexEnable还研发了聚合物半导体，其特点是晶体管更小，宣称性能优于平面显示器采用的非晶硅晶体管。

　　如果将FlexEnable的技术整合(包括曲面LCD、电路和聚合物半导体)，便可以制造双轴曲面LCD原型显示器。

　　对于AR/VR来讲，曲面显示屏的优势是可提升FOV宽度。在AWE 2022期间，Red 6就曾展示一种基于曲面LCD方案的军用AR头显，该头显宣称可实现100°FOV，而没有明显瞳孔游动(图像随眼睛运动而扭曲)。据悉，Red 6的AR头显原型由Pulsar设计，采用了曲面玻璃材质的LCD屏幕，这是一种概念设计。 结论

　　虽然FlexEnable未声称其可调光范围和Meta Materials相当，但对于部分AR应用场景来讲，它的调光范围似乎足够，透光度也足够好。目前不确定的是，该方案的响应速度是否足够快，能否很好的支持分段调光。

　　一些人认为，将薄膜设计成双轴曲面结构来进行电控调光，这种方法比Meta Materials硬性调光透镜更有优势。在规格上，Meta Materials展示了足够宽的动态范围，未来FlexEnable的液晶方案可能会在此基础上继续改进。另外，双轴曲面LCD可实现更宽的FOV。

　　除了动态调光外，可切换透镜也能用来实现动态变焦，从而缓解VAC问题。不过，动态调光在AR中的应用比较复杂，短期内可能很难落地。因为它需要与眼球追踪等技术结合，而且还要预先补偿/抵消变焦对物理环境(透过的环境光)的影响。参考：KG