基于液晶散射膜的多平面增強現(xiàn)實顯示

劉澍鑫，李 燕，蘇翼凱

(上海交通大學 電子工程系，上海 200240)

1 引 言

顯示技術已融入人們生活的各個方面，如手機、電腦、電視、廣告板、車載顯示等。隨著二維顯示在大尺寸、高分辨率、高對比度、高色彩飽和度、廣視角等方面漸趨成熟，人們也在不斷地追求更接近于真實世界的三維顯示[1-2]。尤其是近幾年隨著增強現(xiàn)實技術的飛速發(fā)展，進一步推動了三維顯示的研究及創(chuàng)新。顯示技術作為增強現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵組成部分，對虛實融合和人機交互效果具有重要影響[3-4]。目前大多數(shù)頭戴式增強現(xiàn)實設備，如愛普生的MOVERIO、微軟HoloLens、Lumus DK-40、ODG 智能眼鏡、Meta、Digilens眼鏡等都采用基于雙目視差的三維顯示方式提供虛擬畫面。該方法通過對左右眼分別提供兩幅具有水平視差的圖像，使人腦產(chǎn)生三維感知。但該方法本質上存在缺陷，即調焦-輻輳之間的矛盾[5-6]。用戶在觀看時，每只眼球需要調焦在微顯示屏像的位置以清晰觀察到顯示畫面，而渲染的虛擬三維物體可能是偏離屏幕擁有一定縱深的，此時雙眼的輻輳距離也會相應地偏離屏幕像造成調焦距離和輻輳距離的不一致，長期觀看后會感到疲憊甚至產(chǎn)生頭暈、惡心等不適癥狀。因此，為從根本上解決上述問題需要將真三維技術應用于增強現(xiàn)實顯示中。目前學界被公認的真三維技術有集成成像顯示[7-9]、全息顯示[10-14]、超多視角顯示[15-17]以及體三維顯示[18-19]。

集成成像技術通過微透鏡陣列再現(xiàn)三維圖像，雖然能夠提供水平和垂直視差圖像以及連續(xù)的視差信息，但其微透鏡陣列的使用使整個三維畫面的分辨率降低。全息技術一般則是通過生成計算全息圖加載到電光調制器件上再現(xiàn)物光波相位和振幅的全部信息，由于龐大的計算量以及受限于當前調制器件大像素尺寸和低分辨率，使全息顯示很難應用在商業(yè)領域。超多視角顯示則是將至少兩個視角的圖像同時投影到單只眼睛的瞳孔，因此需要構建較多視角圖像才能完美地覆蓋整個眼球移動位置，這勢必增加了整個系統(tǒng)的復雜度和計算量。體三維顯示通過構建體像素來構建三維圖像，是最簡單直接的三維顯示方式。

其中多平面顯示技術是體三維技術的一種，它通過顯示處于不同深度的二維畫面切片來重現(xiàn)三維場景。這種顯示方法具有以下優(yōu)點：(1)可以利用成熟的二維顯示技術，得到具有高畫質的三維顯示效果；(2)由于人眼在深度感知上的分辨率有限，僅需6層深度圖像就可以表現(xiàn)出一幅連續(xù)的三維畫面，從而大幅降低了計算量以及對外部硬件的要求；(3)能夠準確地表達深度信息，有效地解決了調焦-輻輳的矛盾。

本文將介紹基于液晶散射膜的多平面增強現(xiàn)實顯示工作原理、液晶散射膜工作原理。包括基于正型聚合物穩(wěn)定向列相液晶、反型聚合物穩(wěn)定向列相液晶、聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶的多平面增強現(xiàn)實顯示。最后討論了基于液晶散射膜多平面增強現(xiàn)實顯示有待解決的問題以及未來的發(fā)展趨勢。

2 多平面增強現(xiàn)實顯示工作原理

圖1為多平面增強現(xiàn)實顯示的工作原理簡化示意圖，通過在空間構建二維畫面切片再現(xiàn)一幅三維畫面。根據(jù)其具體實現(xiàn)方式可以分為以下兩類：

圖1 多平面增強現(xiàn)實顯示原理圖。(a)基于變焦透鏡的多平面增強現(xiàn)實顯示;(b)基于固定焦距透鏡的多平面增強現(xiàn)實顯示。Fig.1 Working principle of multi-plane augmented reality display. (a) Multi-plane augmented reality display system based on vary-focus lenses; (b) Multi-plane augmented reality display system based on a fixed lens.

第一種多平面增強現(xiàn)實顯示包含的主要光學元器件有變焦透鏡、微顯示屏和光學融合器，如圖1(a)所示。通過時分復用的方式快速改變變焦透鏡的焦距，將微顯示屏成像在不同位置，由于人眼視覺暫留特性，人就好像同時觀看到存在于不同深度的多個平面圖像。而光學融合器實現(xiàn)對圖像光的反射和對真實世界的透射，使人看到虛擬3D場景疊加于真實世界之上。如亞利桑那大學Hua教授通過施加不同電壓改變液體透鏡的焦距來實現(xiàn)多平面顯示[20], 但由于液體透鏡響應速度較慢，該系統(tǒng)所能實現(xiàn)的深度平面?zhèn)€數(shù)有限。2014年，他們課題組又提出用具有快速響應速度的可變焦反射鏡來實現(xiàn)具有6個深度的多平面增強現(xiàn)實顯示[21-22]。中佛羅里達大學等分別用液晶變焦透鏡成功地將虛擬圖像成像在不同距離[23-26]。

第二種多平面增強現(xiàn)實顯示，如圖1(b)所示，用具有固定焦距的透鏡，將處于不同深度的圖像源(或中間像)成像于不同深度，從而使人眼可進行正確調焦。此系統(tǒng)的關鍵點在于如何構建位于不同空間位置的圖像源(或中間像)?？梢杂枚鄩K透明的顯示屏實現(xiàn)多平面顯示，也可以簡單地通過偏振分光棱鏡將一束光一分為二，經(jīng)過不同的光程最終成像在不同深度位置。液晶器件如液晶散射膜[27-32]、具有偏振選擇特性的液晶反射膜[33-34]、液晶偏振旋轉器[35-36]等都可以作為關鍵器件應用在此系統(tǒng)中來構建多平面畫面。

下面將針對幾種基于液晶散射膜的增強現(xiàn)實顯示做具體的介紹。包括基于正型聚合物穩(wěn)定向列相液晶、反型聚合物穩(wěn)定向列相液晶、聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶的多平面增強現(xiàn)實顯示。

3 基于聚合物穩(wěn)定液晶的增強現(xiàn)實顯示

3.1 聚合物穩(wěn)定液晶

聚合物穩(wěn)定液晶(PSLC)(主要指聚合物穩(wěn)定向列相液晶)體系中，聚合物網(wǎng)絡成類似海綿狀結構分布在整個液晶盒中[37]。向列相液晶分子被聚合物網(wǎng)絡分割為一個個小的疇區(qū)，若疇區(qū)大小接近可見光波長，則光會發(fā)生散射。PSLC可以分為兩類:正型PSLC和反型PSLC。正型PSLC在未施加電壓的情況下為散射狀態(tài)，施加電壓變?yōu)橥该鳡顟B(tài)，如圖2(a)、(b)所示。反型PSLC在未施加電壓時表現(xiàn)為透明狀態(tài)，而在施加電壓的情況下變現(xiàn)為散射狀態(tài)，如圖2(c)、(d)所示。由于聚合物網(wǎng)絡的加入使液晶響應速度得到大幅度提高，從而可以作為快速可切換散射屏幕接收來自投影設備的圖像，應用于增強現(xiàn)實顯示系統(tǒng)中。

圖2 正型和反型聚合物穩(wěn)定液晶。(a)正型PSLC施加電壓;(b)正型PSLC未施加電壓; (c)反型PSLC施加電壓;(d)反型PSLC未施加電壓。Fig.2 Normal-mode and reverse-mode polymer stabilized liquid crystals. (a) Normal-mode PSLC with applied voltage on; (b) Normal-mode PSLC with applied voltage off; (c) Reverse-mode PSLC with applied voltage on; (d) Reverse-mode PSLC with applied voltage off.

向列相液晶器件在施加電壓和撤去電壓的響應時間為：

(1)

(2)

其中：K11為液晶彈性常數(shù)，γ1液晶的粘滯系數(shù)，V為施加的電壓，Vth為閾值電壓，τ0為液晶的自由回復時間，d為液晶盒厚[38-39]。若把PSLC看作向列相液晶器件，由于聚合物網(wǎng)絡的引入，液晶分子和聚合物網(wǎng)絡間的相互作用使其需要更高的電壓才能讓液晶分子發(fā)生轉動，因此彈性常數(shù)K11是普通向列相液晶的500～1 000倍。由于液晶的粘滯系數(shù)在單體固化前后基本保持不變，根據(jù)式 (2)，PSLC的自由回復時間減小，相應的上升和下降時間也都得到了改進。

3.2 系統(tǒng)原理

如圖3所示，基于PSLC的多平面增強現(xiàn)實顯示光學系統(tǒng)主要由投影設備、多個PSLC散射屏、目鏡、光學融合器組成。通過控制每一片PSLC的狀態(tài)使它們在散射態(tài)和透明態(tài)之間切換，使任一時刻僅有一片PSLC處于散射態(tài)，其他PSLC處于透明狀態(tài)。通過同步投影畫面時序以及每個PSLC的開關狀態(tài)，由于人眼的視覺暫留效應，可產(chǎn)生多個深度平面同時存在的感覺。進而在目鏡的放大作用和光學融合器的虛實融合功能下，使用戶同時看到虛擬的多層三維圖像和真實的環(huán)境。

圖3 基于PSLC的多平面增強現(xiàn)實顯示系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematics of a multi-plane augmented reality display system based on PSLC

3.3 基于正型PSLC增強現(xiàn)實顯示實驗與結果

對于正型PSLC散射片，一般由正性向列相液晶和聚合物組成。在實驗中我們采用的正型PSLC由單體三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)和向列相液晶5CB以10∶90的重量比混合均勻。并在室溫下用15 mW/cm2紫外光均勻曝光20 min固化。其工作原理如圖4所示。在未施加電壓的情況下，液晶分子由于聚合物網(wǎng)絡的束縛雜亂地分布，導致樣品內部不同疇區(qū)液晶指向矢方向也不盡相同，因此入射光被散射開來，液晶膜片在宏觀上表現(xiàn)為散射態(tài)；在施加電壓的情況下，正性液晶分子在電場的作用下最終向平行于電場的方向排列，此時液晶分子折射率no與聚合物折射率相匹配，因此入射光大部分透過，液晶膜片在宏觀上表現(xiàn)為透明態(tài)[27]。

圖4 正型PSLC工作原理Fig.4 Working principle of the normal-mode PSLC

通過實驗測量，正型PSLC的上升時間為0.3 ms，下降時間為0.35 ms，總的響應時間為0.65 ms。在可見光400～700 nm的波段范圍內正型PSLC散射態(tài)透過率為4%左右，透明態(tài)透過率約為80%左右。配合高速投影數(shù)字微鏡器件(DMD)，實現(xiàn)的60 Hz多平面增強現(xiàn)實顯示如圖5所示。當照相機分別聚焦在30，50，80，500 cm時，可以分別清楚地觀察到具有正確深度信息A、B、C、D的4個英文字母，從而從根本上解決了調焦和輻輳沖突的問題。

圖5 基于正型PSLC的四平面增強現(xiàn)實顯示[28],相機分別聚集在30 cm(a),50 cm(b),80 cm(c),500 cm(d)。Fig.5 Four-plane augmented display based on normal-mode PSLC scattering shutters, the camera is focused at 30 cm(a),50 cm(b),80 cm(c),500 cm(d), respectively.

由于PSLC在整個可見光波段都具有較好的散射和透過特性。用RGB LED對DMD進行時序照明則可以實現(xiàn)彩色顯示。由于DMD的衍射特性，在設計中通過小孔只保留RGB三色中能量較高的一級衍射級次而濾除其他高階級次，以保證光束的準直特性，從而使處于不同深度的PSLC都能接收到清晰的圖像。圖6所示為基于正型PSLC的彩色雙平面雙目增強現(xiàn)實顯示效果圖。圖中為左右眼圖像分別顯示在距離人眼0.3 m和5 m遠的地方[29]。

圖6 基于正型PSLC的雙平面彩色增強現(xiàn)實顯示[29]Fig.6 Dual-plane full-color augmented display based on normal-mode PSLC scattering shutters

3.4 基于反型PSLC增強現(xiàn)實顯示實驗與結果

反型PSLC一般由負性向列相液晶和聚合物組成。在我們實驗中采用的反型PSLC由單體RM257和負性液晶HNG715611-000以6∶94的重量比混合均勻并固化實現(xiàn)。其工作原理如圖7所示，在未施加電壓的情況下，液晶分子垂直分布于垂直配相的液晶盒中。對于垂直入射光來說，此時液晶折射率為no且與聚合物折射率相匹配，液晶膜片在宏觀上表現(xiàn)為透明態(tài)。在施加電壓的情況下，負性液晶分子在電場的作用下向電場垂直的方向轉動，使不同疇區(qū)的液晶指向矢呈不同角度分布，液晶膜片在宏觀上表現(xiàn)為散射態(tài)[30]。

圖7 反型PSLC工作原理Fig.7 Working principle of the reverse-mode PSLC

反型PSLC的上升時間為1.1 ms，下降時間為0.8 ms，總的響應時間為1.9 ms。在可見光400～700 nm的波段范圍內，反型PSLC在未施加電壓的情況下，透過率為90%左右；在施加電壓的情況下，隨著波長的增加透過率從2%增加到15%左右。圖8為基于反型PSLC的多平面增強現(xiàn)實顯示結果。S、J、T、U 4個字母分別成像在20，40，80，500 cm的深度。

圖8 基于反型PSLC的四平面增強現(xiàn)實顯示[30]，相機分別聚集在20 cm(a),40 cm(b),80 cm(c),500 cm(d)。Fig.8 Four-plane augmented display based on reverse-mode PSLC scattering shutters, the camera is focused at 20 cm(a),40 cm(b),80 cm(c),500 cm(d), respectively.

由于此系統(tǒng)中每一時刻僅有一片PSLC處于散射狀態(tài)。對于基于正型PSLC的顯示系統(tǒng)，僅有一片不需要施加電壓，其他所有PSLC膜片均需施加較高的電壓。而對于基于反型PSLC的顯示系統(tǒng)，僅有一片需要施加電壓。所以相比于基于正型PSLC的多平面顯示系統(tǒng)，反型PSLC的系統(tǒng)更加節(jié)能，尤其在顯示較多平面深度時優(yōu)勢更加明顯。

4 基于聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶的增強現(xiàn)實顯示

膽甾相液晶(CLC)每層分子的指向矢以螺旋方式周期分布，并對中心波長附近的光線有明顯的偏振選擇反射特性[40-41]。聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶(PSCT)則是在膽甾相液晶中摻入聚合物網(wǎng)絡，從而加速器件的響應時間。PSCT按照工作方式分為正型PSCT和反型PSCT。如圖9(a)所示，正型PSCT在未施加電壓的情況下，液晶呈現(xiàn)角錐織構態(tài)，不同疇區(qū)的液晶螺旋軸隨機排列。當液晶微疇的大小與可見光波長接近時，入射光就被散射開來，器件處于散射狀態(tài)。當施加電壓時，液晶分子在電場作用下垂直于基板均勻排列，因此器件處于透明狀態(tài)。對于反型PSCT，如圖9(b)所示，同樣由正性液晶制作而成，在未施加電壓時在基板取向層的作用下，液晶處于平面織構狀態(tài)。若將CLC液晶的反射帶寬調至紅外波段，則器件在可見光照射下處于透明狀態(tài)；當施加電壓時，在聚合物和電場的共同作用下，液晶分子呈現(xiàn)角錐織構態(tài)，不同疇區(qū)的隨機排列使器件處于散射狀態(tài)。

圖9 聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶工作原理。(a)正型PSCT; (b)反型PSCT。Fig.9 Working principles of PSCTs. (a) Normal-mode PSCT; (b) reverse-mode PSCT.

由于PSCT快速響應特性，使其可應用于時分復用的多平面顯示中。其顯示原理結構與基于PSLC的多平面顯示類似。通過時序投影并控制每個PSCT的狀態(tài)，從而構建多平面的三維顯示畫面，最終通過目鏡和光學融合器使人眼觀看到放大的虛擬畫面。

中佛羅里達大學在向列相液晶E7(質量分數(shù)92.7%)中加入手性劑R811(質量分數(shù)2.8%)、聚合物RM257(質量分數(shù)4 %)以及少量光敏引發(fā)劑，經(jīng)過紫外光曝光制作的反型PSCT的透明態(tài)透過率和散射態(tài)的透過率分別為98.2%和7.6%。上升和下降過程也實現(xiàn)了快速的響應特性，分別為1.1 ms和1.5 ms。他們利用這種PSCT成功實現(xiàn)了具有正確調焦信息的雙平面虛擬現(xiàn)實顯示[31]。2019年，肯特大學制作的反型PSCT透明態(tài)透過率為85%，散射態(tài)透過率為15%，上升和下降時間分別為1.1 ms 和1.8 ms，也實現(xiàn)了多平面的體三維顯示[32]。

5 結 論

本文主要回顧了基于聚合物穩(wěn)定向列相液晶、聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶散射膜片的多平面增強現(xiàn)實顯示。多平面顯示能夠提供正確的調焦和輻輳信息，是一種真三維顯示。通過將聚合物網(wǎng)絡加入液晶體系中，一方面可使其實現(xiàn)透明狀態(tài)和散射狀態(tài)的切換，另一方面顯著加快了液晶的響應速度。因此，多層液晶散射膜作為可切換屏幕，承接來自高速投影設備的圖像，以時分復用的方式實現(xiàn)多平面畫面顯示。其中聚合物穩(wěn)定液晶的響應時間可以達到0.65 ms，聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶的響應時間也可以達到3 ms以內。雖然響應時間得到提高，但聚合物的加入也增大了驅動電壓，因此未來需要在保證良好光學特性的同時，盡可能降低驅動電壓，如引入稀釋劑等方法優(yōu)化材料體系。為實現(xiàn)更多的深度平面數(shù)，除了時分復用方法，也可以考慮利用液晶器件的偏振選擇性和波長選擇特性，用偏振復用或波長復用的方法實現(xiàn)更多平面的畫面顯示?；跁r分復用的多平面顯示對于投影設備的幀頻也提出很高的要求，未來也可考慮利用全息的方法同時顯示出多平面畫面，以降低對投影器件幀頻的要求。多平面顯示相比于其他真三維顯示，可以更好地利用成熟的二維顯示技術，相信隨著顯示技術、微電子技術、計算機技術的發(fā)展，會在未來的增強現(xiàn)實顯示設備中得到更廣泛的應用。