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代永平:AR、VR在显示器技术中的应用

2016-11-11 15:55 | 作者: 代永平 来源:中国企业家网 京东方

【中国企业家网】2016年11月8日,主题为“开放两端 芯屏气/器和”的京东方全球创新伙伴大会(BOE IPC·2016)在北京举行。显示器件分会场,南开大学教授代永平发表“高分辨率AR/VR显示”主题演讲,分享了AR、VR在显示器技术中的应用。

轮播图-剩余分会12

以下为演讲实录:

大家下午好!首先感谢京东方提供一个很好的交流平台。我今天是受香港科技大学的郭老师委托来发表演讲,最近几年他在忙一件事,他和邓教授也在合搞实验室。我想他应该有很多想法。郭教授在一个月前就在准备这个会议的PPT,他一定有很多很值得回味或者总结的一些东西。

郭教授PPT的题目是AR、VR用于显示器技术。从目前来看,这种产品应用,这个表格它的横坐标分为三类,一个是全浸入式的VR,一个是个人和数字的应用,还有AR。在这个基础上他提出了五个指标,前面的演讲嘉宾都在讲亮度、分辨率,还有屏的尺寸,还有显示技术,用哪种显示技术,全浸入式的VR在100到110,在个人、数字这种应用里面小一些,50到60度的范围。到AR里面更小,小于50度,这个可以从两代产品比较典型的,早期像谷歌眼镜32度左右,到今年年初微软推出来的产品,36度到40度。所有这些分辨率的期望值应该在两千PPI以上,索尼做到了这样的应用。屏的尺寸,对AR0.4寸,这个是由产品体积决定的,相应的集成底就是硅和玻璃。

这是比较典型的产品,前面都有介绍,PPI大概在五百左右,屏的尺寸有三寸到五寸左右,有单屏、双屏,整体分辨率利用的是一千左右的,这是目前典型产品的特征。酷瑞思九月份刚在深圳新成立一个公司,是做系统的,就像当时手机方案出来以后,很多公司都会有手机推出来,因为它是系统集成,平台式采购的方式,方案也是采购的方式,包括整个架构设计,都是用技术集成的方式完成的,核心器件以采购为主。酷瑞思用的屏就是索尼的0.9寸屏,这个是AR产品,横跨了从谷歌眼镜到微软这个产品。早期的原型机有,左上角这个图是原型机。这是AR产品的应用。在这些应用里,高PPI显示器的出现,在2016年京东方推出原型机,大屏显示,并非针对一寸两寸的VR、AR这样的应用。

这个显示分辨率的研究在什么?它极限点应该在什么地方?每平方毫米17万,这是基本的数据,生理极限,没有必要超过这个。从这个定义可以推出来,咱们很熟悉的一点,一个显示器的分辨率,像素大小怎么定义的?这有标准,一米的距离,你能分辨出来的最小两个点,这个尺寸就是最小的分辨率。大约就是0.3毫角秒,相当于人的分辨率大概是0.3毫米,如果人的眼睛在比较放松的状态下,它可以再高一点,到0.26,这个尺寸就是0.26毫米。对于咱们直视的显示器这样定义的,为什么我们手机的像素大小会比这个小得多呢?50、100,这有另外一个值,从上学开始就说眼睛读书最好的距离,大概是20公分的距离。这个距离刚好是从1米缩小了5倍,从0.26毫米缩小了一倍下来,大概是在50缪左右。顺着这个算法往下推,近眼比较舒适的距离在0.5左右,这时候PPI大概到了2200左右。这就是VR、AR应用分辨率极限点应该在哪,郭教授认为应该在2000以上,这个算法比较合理。虽然有放大作用,但是它最终的结果,也是要保证在一米的时候,它的图象里边的像素不会超过0.26,这个算法是对的。

除了提高像素的高密度,还有一个就是图象的刷新频率,需要有快速响应的显示材料。又回到这里了,像素不断缩小,像素电路里边的器件要少,再往前推,现在AMOLED提出的五管六管七管八管,这是不合适的,要提高PPI。因为它的材料多晶硅是不稳定的,材料的变化,导致电路的设置和密度的提高轻而易举的就过去了。没有必要到纳米工艺,不管是AMOLED还是什么,负载是液晶或者是发光层,它是需要电流和需要电厂的,这些会对电路有要求。电流的强度,随着新半导体器件的发展,它能够提供大电流,这样的材料出现完全可以。比如用90纳米、65纳米来做,何止三千PPI、五千、一万都不是问题,三五年内完全可以形成产品形态的技术。

这是郭教授曾经做过的技术研究,我稍微知道一点,有一个过程,我原来接触过,有一个杂志叫现代显示,最早的创办人是北大吴保刚教授,他在美国搞TFT液晶显示,当时他没有生产线去做非晶硅材料,非晶硅薄膜。他想到一个办法,就用半导体直接来做,硅是不透光的,这样做出来是能成像,但是效果不好,90年代没有整屏工艺,不断去做注入层,表面是坑洼不平的。随着像素做小,坑洼屏影响越来越大,不再是一个镜面,成为图象,你会发现这个图象是雾腾腾的。这是香港科大早期的作品,他们还没有彩色化,分辨率挺高的,97年搞成XGA的,2000年推出SXGA,这都是单色屏,没有做到彩色化。

这个是郭教授在屏上的贡献,有14个专利、73篇论文,各个侧面,从电路设计到投影的光学器件,光机到光学模型,都有全方位的覆盖。它的影响力有多大呢?大家知道有一个公司奇美有一部分技术是从郭教授这边过来的,他才把他的技术很大的提升,他甚至把郭教授的合作者黄教授一块挖到了奇美,才逐渐把这个变成一个完整的产品。谷歌眼镜用的是奇美的7018,尺寸是2.9寸。现在微软这个产品也同样是用了奇美这个屏,分辨率高了,到了720P,720×1440这样一个分辨率。我的本专业就是搞IC设计的,硅机设计的,我知道这个,它的液晶模式没变,一直采用的是郭教授原来搞出来的这种模式,速度提高了三倍,要求的响应时间应该在三毫秒以里,这样才能产生75赫兹的刷新频率。奇美的屏用的是模拟像素,对时间要求相对宽泛一些。不同于另一个屏,美光用的是铁电液晶,走的就是时间占空比的方式。美光为什么能做到这样的水平呢?把存的信号拿出去驱动液晶,这样就出来了。你可以模拟驱动它,也可以数字驱动它,让它开和关,开和关的速度足够快,同样能产生灰度。逻辑关系理顺了,再做什么产品的开发,或者新器件的创新,就非常合理了。

这个是技术用于HMD了,产品体积、形态的大小,谷歌眼镜还属于便携式的,很简化版的眼镜型的显示器。包括它的电子控制,它的显示器的选型都比较简化,导致体验感不是那么强烈。但是我觉得他有一个创新,可以以另外一种方式去做,融合到了一些自由曲面或者凹透镜,经过几个镜面的转换和外观的设计,谷歌眼镜外观很时尚的,把光学融合解决了近眼投影显示的尴尬。

Lcos用于VR、AR的优势劣势就出来了,液晶封装是很成熟的,它的尴尬在于,把它做小的话,它是一个液晶器件,需要偏振光,不能像透过式显示器,它需要PBS。解决这个高分辨率模式,就要从现在TFT用的不管是低温多晶硅或者氧化物TFT薄膜,向单晶硅去回归,向更稳定的材料去做。单晶硅并没有那么昂贵,因为TFT器械生产才要四块板,最简单的是四块板就能完成这个器件的生产。一百多道工序,多余的工序可以去掉,根据TFT的模式可以做优化。这样做高分辨率就很容易。

液晶里边还有一个问题,还有快速,还有一种液晶模式,铁电液晶模式,这个模式并不稳定,所以用的并不多。Lcos的厂家很多,但是用铁电做成功的只有一家,但是没有很强的推广性。郭教授近五年在和俄罗斯一些教授合搞铁电液晶,这是他们搞出来的液晶模式,DHF模式,他有一个专利,他和三个俄罗斯教授合搞的一个专利,做的快速铁电液晶,150纳米。他能做到正负10伏的工作范围内,上升时间能保证80微秒,这个材料比较不错。正负电压驱动有一个很好的电压曲线、灰度曲线。这个是测试响应时间,大概是五寸的屏,完成彩色显示用的就是他新开发出来的材料。这是在不同的测试的响应时间,从30微秒到15微秒不等。这是色域,很宽,这个色域更多的不是看屏的色域,应该是看它背光,LED的色域,但是没问题,这是一体的显示器,也可以理解是Lcos的色域。

这是曾经做出来的,用低温多晶硅做TFT,然后充上快速液晶去做,做到一些投影显示,就是上面这个屏,用上面这个投影。下面这个红色的是希望在明年在五寸的屏上能做到2000PPI的,基于铁电液晶的显示器。同样OLED显示器也有它的优劣,它不利的地方是在VR、AR里面亮度还不够高。这是科大在搞的一个技术,目前还在研发过程中,有些样品出来了。通过封装来完成组合,目前属于单色的状况,但是这个趋势是很好的。PPI很好,彩色化还有一点问题,大概只能做到八个灰阶,因为外围信号处理做的不是特别优化。

总结一下,对VR、AR显示器来说,有很多方案,能解决它们存在的一些问题。这些应用也有它的优势和不足的地方,这些技术对AR、VR的应用还是很有前景的。能从低温多晶硅、氧化多晶硅回归到以硅为衬底这样的技术,也能解决高分辨率的这些潜在问题。

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