代永平：AR、VR在显示器技术中的应用

南开大学教授代永平

　　新浪财经讯 “京东方全球创新伙伴大会”于2016年11月8日举行，南开大学教授代永平出席并发表“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。

　　以下为发言实录：

　　代永平：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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