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JDI:新技术实现HMD光学系统轻薄化,有望2026年实现商用

2022/10/12
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CINNO Research产业资讯,日本显示器公司(Japan Display Inc.,以下简称为“JDI”)在今年五月份于美国召开的“SID Display Week 2022”上,做了有关“采用了偏光激光背光和全息图(Holographic)光学系统的轻薄型HMD(头戴式显示屏,Helmet Mounted Display)”的演讲。

 

JDI依靠新技术将HMD里搭载的光学系统做得更轻薄,从而缩短了LCD图像显示和眼睛之间的距离,该技术为HMD的轻量化、薄型化作出了贡献。此次,针对JDI的技术内容和未来展望,电子Device产业新闻采访了JDI研发总部材料研发部材料研发第一课的高桥泰哲先生。

研发总部材料研发部材料研发第一课,高桥泰哲先生。(图片出自:电子Device产业新闻)

 

Q:2020年,美国Meta公司发布了一款采用了全息光学系统的薄型HMD。该设备采用“Pancake”的光学结构,采用全息光学元件、激光背光LCD,属全球首例。

高桥:为减轻因长时间佩戴HMD引起的疲劳感和压力,亟待需要将HMD做得像太阳镜一样轻薄。美国Meta公司已经发布解决上述课题的技术。JDI也通过采用偏光激光背光技术和全息光学元件(Holographic Optical Elements,以下简称为:“HOE”),解决了“Pancake”光学结构和激光背光组合表现出的光利用率低的问题。

“Pancake”光学结构相当于传统的光学镜片(Lens),该方案利用两片1/4λ波长板、凹面半反镜(Half Mirror)和凹面状的反射偏光片等材料控制偏光状态,从而获得约3倍的光路长度。利用该系统可缩短从LCD到人眼的光(图像)的距离。

Q:请介绍以下贵司的技术。

高桥:JDI在2020年发布了一款可提高激光背光LCD光利用率的偏光激光背光。通过将用于“Pancake”光学结构的凹面半反镜改为HOE,并将其扁薄化(Flat),同时也使反射偏光板扁薄化,从而使整个光学系统实现轻薄。最终使两块凸起的“Pancake”都变成了扁平结构。传统的镜片式光学系统厚度约为41mm,而JDI的产品为16mm,厚度削减了一半以上。

HOE具有较高的波长选择性,因此最适合使用发光波幅较窄的激光背光。此外,考虑到“Pancake”光学结构的取光效率和激光背光的发光效率,需要偏光激光背光可以发出与偏光片透过轴一致的光。通过研发上述偏光激光背光,我们获得了较高的光利用效率。我们把一种不会改变光偏光方向的特殊材料“Zero-zero Birefringence Polymer”应用于偏光激光背光的导光板上,理论上可以将光100%穿过LCD。

通常情况下,无论是多么理想的LCD,都会丢失偏光片透过轴以外的光,导致光利用率减半。此外,虽然可将“Pancake”光学结构做得较薄,但经过各类材料的反射,从LCD出来的光的利用率最大仅有25%。但利用JDI的技术可以使背光本身发出偏光,因此可将LCD面板的透过率提高至以往(无偏光背光)的两倍。

Q:2020年,贵司发布该技术并应用于17.3英寸的IPS LCD,请介绍一下与HMD应用方向的不同点。

高桥:我们的偏光激光背光采用上下两片导光板,上侧透过左边的激光,下侧透过右边的激光。利用上述结构,可以充分获取光的“混合区域(Mixing Area)”,实现均匀的辉度(偏光度)分布。

但是,与传统的LCD不同,用于HMD的显示屏形状为正方形,且左右眼分别采用一块面板。当单块LCD面板上放有单块背光时,由于激光的前进性较高,因此存在难以确保光的“混合区域”的问题。于是,我们将一片偏光激光背光应用于左右眼两片LCD面板,并应用于HMD。在一片背光上嵌入两片上下重合的导光板,一片导光板将从左侧进入的光引至右眼的LCD面板,另一块导光板将从右侧进入的光引至左眼的LCD面板,从而获得足够的混合光。利用上述结构,可以获得平均值高达90.1%的均匀偏光度。与无偏光的激光背光相比,相当于将辉度提高了1.9倍。

此外,为了确认色彩的再现性,用试做的可全彩显示的台式样机(Benchtop Prototype)显示图像后发现,BT.2020的覆盖率达到98%。

Q:请介绍一下对未来的展望。

高桥:我们的目标是在2026年实现商用。为了收集各类意见,我们特地公布了此项技术。我们会把样机做的更轻薄,但也需要从客户处了解其真正必须的厚度。因此未来我们将在听取客户意见的同时,继续研发。

HOE的作用与凹面镜相同,因此我们已经从材料厂家采购体积全息材料。此次的样机采用的是一种涂覆于玻璃基板上的材料,但也可以用薄膜代替该材料,因此,可将厚度减薄数十~100um。整个光学组件的厚度也会比现在(目前为16mm)更薄。如果光学组件(包括显示屏)可以实现薄型化、轻量化,HMD的塑料框体应该也可以实现薄型化和轻量化,最终将有助于改良整个产品。

JDI的目标不仅是要实现小型化,还要在VR领域里为客户提供“虚实难辨”的画质。未来的目标是使用如太阳镜般轻巧的设备来欣赏精彩的图像,而不是当前的又大又重的HMD。

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We create new products by utilizing our advanced technical strength, manufacturing capacity, and quality in the automotive, medical, and industrial fields, as well as personal devices including smartphones, tablets, and wearables.

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