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Facebook全息超短焦AR/VR光学突破，或可实现量产

晰数塔互联网快讯
2021-08-04 21:22

本文来自微信公众号“青亭网”（ID:qingtinwang），作者：前沿科技新媒体，36氪经授权发布。

去年6月，Facebook曾重磅公布一款基于全息光学的超短焦VR眼镜方案，其特点是体积轻便、外观小巧，而且支持激光光源，具备视网膜级分辨率效果。据悉，利用该方案开发的VR眼镜原型看起来如墨镜大小，让我们仿佛看到了未来理想的VR形态。

近期，Facebook Reality Labs再次公布关于该技术的更多细节，并重点解释该光学方案所采用的LCPH显示技术（全名为液晶偏振全息），以及相关的量产方案。

据青亭网了解，LCPH是一种通用的、低成本光学元件，其特点是结合高端的LCD技术与全息技术，可大幅提升AR/VR显示效果，也是液晶技术的一种升级。LCPH显示屏支持两种效果，分别为：1）作为被动光学薄膜，有规定的光学参数；2）可调整的主动显示屏幕。

此外，LCPH材质支持平面和曲面两种形式，可以根据不同的尺寸定制，最小可像芯片一样，最大也可以有望远镜透镜大小。此外，LCPH的光学效率可达95%或更高，这是超表面（metasurface）等其他轻薄光学方案难以达到的。

与此同时，这是一种经济上可行的制造工艺，其基于现有的液晶工具和材质，整体来讲制造流程没有光刻控制的LCD或是超表面的纳米制造技术那么复杂。

关于LCPH优势

通常，对于近眼光学方案来讲，动态变焦是一大挑战。而且由于光学特性，在透镜和显示模组之间必须有保留一个用于确保对焦的空间，当眼球与现实模组太近时可能会难以对焦。为了解决这一问题，Facebook采用了轻薄的全息透镜，实际上此前日本东京农工大学也曾采用全息技术，来解决AR隐形眼镜靠近人眼难以聚焦的问题。

传统的全息技术基于光线调节原理，而偏振全息（又叫几何相位全息、圆形衍射波片）则依靠两个或以上光束的偏振调节。与HOE（全息光学元件）相似，偏振全息模组（PH）支持多种不同的角度和光谱带宽，而且外观设计足够轻薄。因此，PH可以充当镜面、透镜、光栅、光波导、透镜阵列、漫射器甚至非彩色或彩色的光学器件。总之，PH的偏振灵敏度为光学系统的设计带来更多灵活性，这对于AR/VR等应用场景足够关键。

除了全息技术外，LCPH方案同样基于液晶显示技术。而液晶显示屏材质的优势在于，支持调节，可改变液晶分子的光轴方向，而且可量产。

LCPH结合了全息光学和液晶光学的优势，通过偏振全息技术来校准液晶模组，进一步提升液晶显示效果。Facebook认为，LCPH将有望改变AR/VR显示技术，将光学元件的厚度降低至1微米左右，整体外观更轻薄，效率更高。

LCPH的应用场景足够灵活，可以与被动光学薄膜结合，或结合主动显示模组，同时兼容平面或曲面设计，可直接将LCPH材质直接压或涂在现有光学显示系统的表面上。在结合LCPH工艺后，还可以缩小眼球/面部追踪元件、光线定向模组、光学传感器、色差校正元件的体积。

关于低成本量产

对于Facebook来讲，AR/VR硬件的量产和低成本化是推动消费级市场的关键。目前，Facebook指出了一种低成本LCPH制造工艺，它可以用于打造AR/VR光学系统，并且可结合微型的眼球和面部追踪模组，以及呈现模组、光束偏转模组、光学扫描元件、折射光学的色差校正元件等等。

科研人员发现，现有的液晶制造工具和材质即可制造LCPH，而且制造工艺比基于光刻的LCD制造工艺，或超表面的纳米工艺更简单。甚至，单一的生产线可生产多种不同参数的LCPH产品。

在制造LCPH过程中，将需要利用经过验证的LCD背板制造工艺，即：创造定制化图案的掩膜，然后从掩膜向样本复制图案信息，接着依照制造大型基板所采用的步进原理。理论上讲，在复制图案时并不需要光刻工艺所需的复杂投影镜头，而通过近距离直接复制的方式即可满足大部分应用场景，这样的设计更加简洁。

据了解，通常制造LCPH薄膜需要六个步骤：

1）玻璃清洁；2）光控取向材质涂层；3）光控取向材质图形化；4）活性液晶原涂层；5）活性液晶原固化；6）组装。

而制造主动显示的LCPH模组则需要额外的步骤，比如：电极图形化、液晶材料填充。总之，不同的应用场景的LCPH将采用不同的制造工艺。

Facebook表示：决定LCPH量产规模的两个因素是：活性液晶原技术和光控取向材质图形化。其中，活性液晶原材质是现成的技术，不过为了满足AR/VR光学和显示系统的需求，LCPH的活性液晶原材质需要满足以下三个特征：1）可见范围内，无色且低吸收率；2）紫外线固化后，活性液晶原材质的收缩率和表面粗糙度都足够低；3）在环境压力和曝光情况下，依然稳定。

LCPH应用场景

Facebook表示：AR/VR技术将物理和数字世界融合，同时为娱乐、商业场景提供了全新的工具和应用。为了推动AR/VR普及，相关的光学和显示技术需要实现紧凑的设计，以及可长时间使用的舒适性。

轻量化的AR/VR需要采用轻薄的光学元件，来控制光传播方向、强度和偏振。而LCPH可以同时满足AR/VR头显对于体积和视觉的要求，它可以与轻量化的眼球追踪模组结合，实现AR动态注视点渲染，从而提升分辨率观感、校正色差。

近年来，Facebook Reality Labs曾尝试将LCPH与轻薄的眼球追踪模组结合，以解决视觉辐辏冲突问题，提升变焦效果，降低色差等图像失真现象。

除了AR/VR外，LCPH也可以用在医学成像的非破坏性试验，或是机器学习的偏振传感和成像，以及微影（制造半导体的步骤）工艺中校正高分辨率成像透镜的色差、光的储存和加密、内部/外部建筑照明的光线塑造漫射器和偏转器、自动驾驶汽车的AR HUD和LiDAR系统、太空望远镜、航天通讯等等。在这些场景中，LCPH可满足对于轻量化、高质量、可量产等方面的需求。

参考：

https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:6817149928549294081/

https://mixed.de/lcph-facebook-erforscht-display-massenfertigung-fuer-kleinere-leichtere-ar-vr-systeme/