Достижения в области прозрачных и дисплейных технологий для носимых умных очков
Пейзаж носимых технологий претерпевает глубокую трансформацию, с интеллектуальными очками, появляющимися как наиболее перспективный интерфейс между людьми и цифровой информацией. В основе этой революции лежат критические достижения в технологиях прозрачного отображения и оптике дополненной реальности. Эти инновации позволяют производителям создавать устройства, которые накладывают высококачественный цифровой контент на естественное поле зрения пользователя, не мешая реальному миру. От прозрачных органических светодиодных (OLED) панелей до сложных систем проекции на основе волновода, в последние несколько лет наблюдается значительный прогресс в яркости, разрешении, форм-факторе и энергоэффективности. В этой статье рассматриваются последние прорывы в прозрачных и дисплейных технологиях для носимых умных очков, рассматриваются постоянные проблемы, которые остаются, и смотрит вперед на следующее поколение материалов и систем, которые определят будущее очков дополненной реальности.
Эволюция прозрачных технологий отображения для носимых устройств
Концепция прозрачного дисплея не нова, но делает его практичным для носимых умных очков, необходимых для преодоления фундаментальных оптических и электронных препятствий. Ранние попытки использовали лучевые блики и частичные зеркала, которые были громоздкими и неэффективными. Переход к технологии активной матрицы OLED (AMOLED) принес значительные улучшения, но прозрачность оставалась ограниченной, потому что традиционные OLED-стеки содержат непрозрачные слои. Исследователи и производители дисплеев с тех пор разработали прозрачные OLED-дисплеи, которые достигают более 70% прозрачности с помощью прозрачных электродов, прозрачных катодов и оптимизированных пиксельных макетов. Эти дисплеи предлагают высокие коэффициенты контрастности и быстрое время отклика, типичные для OLED, позволяя владельцу видеть физическую среду за экраном.
Параллельно с развитием TOLED технология microLED получила тягу как сильный претендент на умные дисплеи очков. MicroLED являются неорганическими, самоизлучающими светодиодами, которые могут быть изготовлены при микроскопических размерах. Они обеспечивают более высокую яркость, чем OLED, превосходную долговечность и более низкое энергопотребление на люмен. Такие компании, как PlayNitride и Jade Bird Display продемонстрировали прозрачные микросветодиодные дисплеи с пиксельными шагами ниже 10 микрометров, что позволяет получать четкие изображения, которые видны даже при прямом солнечном свете. Задача с микросветодиодами заключалась в массовом переносе — переносе миллионов крошечных светодиодов с подложки роста на заднюю панель водителя с приемлемым выходом. Последние достижения в области лазерной передачи и жидкостной самосборки неуклонно решают это узкое место, прокладывая путь для прозрачных микросветодиодных дисплеев, которые сочетают высокую прозрачность (
Жидкий кристалл на кремнии (LCoS) с дихроичными покрытиями является еще одним подходом, используемым во многих существующих интеллектуальных очках, но он требует внешнего источника света (часто светодиода) и сложного складывающегося оптического пути. Прозрачные ЖК-панели с использованием полимерно-дисперсных жидких кристаллов (PDLC) также были изучены, хотя они страдают от ограниченного контраста и угла обзора. Ясная тенденция заключается в том, чтобы использовать излучающие технологии (OLED и microLED), потому что они не требуют подсветки, что упрощает оптическую систему и уменьшает толщину сборки объектива. Для более глубокого погружения в последние дорожные карты дисплея, OLED-Info обеспечивает всестороннее покрытие прозрачных разработок OLED, и LEDinside отслеживает прогресс микроLED.
Прорывы в оптике дисплея дополненной реальности
В то время как прозрачные панели дисплея могут проецировать цифровые изображения в линию зрения пользователя, основная часть интеллектуальных очков AR полагаются на проекционную оптику для доставки изображений непосредственно в глаз с минимальной физической обструкцией. Наиболее значительные достижения в этом доменном центре по технологии волноводов, которая стала доминирующей архитектурой для ориентированных на потребителя интеллектуальных очков.
Волновые архитектуры: от монохромной до полноцветной
Волноводы функционируют путем соединения света от микродисплея или лазерного проектора в тонкую, прозрачную подложку. Свет проходит через подложку через полное внутреннее отражение и извлекается в определенных точках, чтобы сформировать виртуальное изображение, наложенное на реальный мир. Ранние волноводы могли создавать только монохромные изображения, обычно зеленые, из-за сложности управления различными длинами волн красного, зеленого и синего. За последние два года был достигнут значительный прогресс в дифракционных и голографических волноводных технологиях, которые могут обрабатывать полноцветные изображения с минимальной хроматической аберрацией. Такие компании, как WaveOptics (теперь часть Snap), Dispelix и Lumus продемонстрировали волноводы с полем зрения (FOV) превышающим 50 градусов по диагонали и достаточным размером выходного зрачка для размещения диапазона межпапиллярных расстояний.
Ключевым показателем качества волновода является эффективность решеток-в-парах и вне-паровозов. Новые методы изготовления с использованием литографии наноимпринта позволяют массовое производство решеток со сложной геометрией, которые достигают >90% эффективности дифракции по видимому спектру. Кроме того, многослойные волноводы, которые стекают красные, зеленые и синие каналы, обеспечивают более высокую однородность цвета и яркость. Эти разработки позволили интеллектуальным очкам, таким как ]Vuzix M4000 и Epson Moverio BT-40 , доставлять яркие полноцветные наложения в упаковке, которая весит менее 70 граммов.
Лазерное сканирование лучей и голографические дисплеи
Альтернативой волноводной оптике является лазерное сканирование луча (LBS), где крошечный лазер и зеркало MEMS рисуют изображение непосредственно на сетчатке пользователя. Системы LBS могут достигать чрезвычайно высокой яркости и контрастности, потому что лазер может модулироваться на высоких скоростях. Они также позволяют использовать очень компактный оптический двигатель — достаточно маленький, чтобы поместиться внутри храма очков. Задача LBS — обеспечить безопасность глаз и поддерживать равномерное изображение без мерцания. Недавние достижения в технологии лазерных диодов, особенно в зеленых и синих диодных лазерах, имеют повышенную эффективность и снижение шума пятен. Между тем голографические дисплеи на основе пространственных модуляторов света (SLM) остаются границей исследований, но обещают истинные 3D объемные изображения без необходимости отдельных волноводов. Для более технических деталей на LBS и голографических AR-дисплеях архив Optica Publishing Group содержит сотни рецензируемых работ о последних конструкциях оптических систем.
Поле зрения, облегчение глаз и компромиссы форм-фактора
Один из самых жестких инженерных балансов в умных очках - между полем зрения, рельефом глаз и общим размером. Более широкий FOV обычно требует большей оптики или более толстого волновода, который увеличивает вес и объем. Очки AR текущего поколения от таких компаний, как Microsoft HoloLens 2 (52-градусный FOV) и Magic Leap 1 (50 градусов) иллюстрируют то, что возможно с оптикой объемного производства, но эти гарнитуры по-прежнему слишком тяжелы для повседневного ношения. Новые конструкции с использованием призм свободной формы или оптики для ванны для птиц (например, ThinkReality A3 ) предлагают FOV 35-40 градусов в более легком форм-факторе, за счет некоторого качества периферийного изображения. Достижения в метаповерхностной оптике - поверхности, которые могут формировать свет в наномасшта
Современные вызовы: сила, яркость и удобство пользователя
Несмотря на стремительные темпы инноваций, прозрачные и дисплейные технологии для умных очков по-прежнему сталкиваются с огромными проблемами, которые ограничивают широкое распространение.Выделяют три области: энергопотребление, яркость наружного освещения и комфорт пользователя в течение длительных периодов.
Эффективность энергии и термоменеджмент
Умные очки должны работать на небольших батареях, которые помещаются внутри рамы, обычно менее 1,5 ватт-часов для потребительских моделей. Один только микродисплей высокой яркости может потреблять 300-500 милливатт, а проекционная оптика, датчики и чипсет подключения добавляют существенную ничью. OLED-дисплеи имеют преимущество здесь, потому что темные пиксели потребляют почти не энергию, но они изо всех сил пытаются достичь высокой яркости для наружного использования. MicroLEDs более эффективны при преобразовании электричества в свет, но их управление необходимой яркостью (10 000 + нит для прозрачной AR) по-прежнему требует тщательного управления мощностью. Многие очки используют гибридный подход: дисплей с более низкой мощностью для внутреннего использования и режим повышения для наружного. Тепловое управление одинаково важно, поскольку тепло, рассеиваемое от дисплея и процессора, может вызвать дискомфорт или запотевание. Компании изучают пассивные тепловые распределители из графитовых или паровых камер, а также активные микро-фансы для более высокопроизводительных скусов.
Удобочитаемость и динамический диапазон
При ярком солнечном свете может появиться даже высокояркий дисплей, поскольку прозрачный дисплей или волновод пропускают окружающий свет. Для достижения контрастности 10:1 или лучше при 10 000 люкс окружающей подсветке требуется либо дисплей, который может превышать 15 000 нит, либо фильтр переменной нейтральной плотности, который уменьшает передачу окружающего света. Некоторые конструкции используют электрохромные слои затемнения, которые затемняют линзу при движении пользователя на открытом воздухе, уменьшая яркость фона и улучшая воспринимаемый контраст изображения. Однако эти слои добавляют вес и сложность. Новые материалы, такие как фотохромные и термохромные пленки, интегрированные в подложку волновода, находятся в разработке, чтобы обеспечить автоматическое затемнение без дополнительной мощности.
Комфорт, фитнес и эстетика
Помимо технических характеристик, успех умных очков зависит от того, будут ли они на самом деле носиться. Оптика дисплея должна быть точно выровнена с глазами пользователя, что требует регулируемых механизмов межсоединительного расстояния или волноводов с большим выходным зрачком. Распределение веса имеет решающее значение: очки, которые передней тяжелее, вызывают дискомфорт через 20–30 минут. Последние проекты от Бозе и Amazon (Frames и Echo Frames, соответственно) размещают большинство компонентов в храмах, стратегия, которая в настоящее время принимается AR-очками, такими как Xreal Air 2 Ultra . Кроме того, эстетика должна напоминать обычные очки, чтобы избежать социальной стигмы. Это стимулирует потребность в ультракомпактных модулях дисплея, которые помещаются в храм толщиной 5 мм. Информационный бюллетень Dis
Новые материалы и прорывы в производстве
Материалы следующего поколения обещают решить многие из текущих компромиссов в прозрачности, яркости и долговечности.Исследования в области оптоэлектроники на основе перовскита, гибких подложек и передовых покрытий закладывают основу для более легких, более мощных и более модных стекол.
Перовскитный квантовый точечный дисплей
Перовскитные нанокристаллы демонстрируют высокие фотолюминесцентные квантовые выходы и узкие полосы пропускания излучения, что делает их идеальными для сверхярких, цветочистых дисплеев. Их можно обрабатывать в растворе при низких температурах, что может резко снизить производственные затраты по сравнению с традиционными полупроводниками III-V. Исследователи продемонстрировали прозрачные перовскитные светодиоды (PeLED) с яркостью, превышающей 100 000 нит, и внешней квантовой эффективностью выше 20%. Они могут в конечном итоге заменить микросветодиоды в некоторых приложениях, особенно там, где требуется высокая яркость и прозрачность. Однако перовскитные материалы печально известны своей чувствительностью к влаге и кислороду, и инкапсуляция остается проблемой. Продолжающаяся работа по герметичному уплотнению с использованием атомного осаждения слоя (ALD) и барьерных пленок уже улучшила эксплуатационные сроки службы до десятков тысяч часов.
Гибкие субстраты и гибкая оптика
Умные очки были бы гораздо более удобными, если бы дисплей мог соответствовать кривизне объектива. Гибкие технологии OLED и microLED позволяют дисплеям, которые изгибаются в радиусе 5-10 мм без разрушения. Это открывает дверь для действительно изогнутых умных очков - например, пара негабаритных солнцезащитных очков - с дисплеем, встроенным непосредственно в объектив. Прозрачные гибкие подложки на основе полиимида или тонкого стекла уже используются в прототипах, но задача состоит в том, чтобы поддерживать высокую прозрачность в широком спектральном диапазоне. Корнинг представил гибкие варианты стекла, которые предлагают передачу >92%. В сочетании с металлической сеткой или нанопроволочными прозрачными электродами, эти подложки могут создавать дисплеи, которые являются гибкими и очень прозрачными.
Продвинутые антибликовые и устойчивые к скремблированию покрытия
Прозрачный дисплей или волновод должны не только обеспечивать высокое качество изображения, но и оставаться эстетически чистыми. Современные умные очки используют многослойные антибликовые (AR) покрытия для уменьшения отражений от передней и задней поверхностей, которые в противном случае ухудшают видимость. Эти покрытия обычно разрабатываются с использованием чередующихся слоев материалов с высоким и низким коэффициентом преломления, таких как TiO2 и SiO2. Новые наноструктурированные покрытия - конструкции с молото-глазом или индексом градиента - предлагают более широкую полосу пропускания и меньшую зависимость от угла. Кроме того, устойчивые к царапинам покрытия на основе алмазоподобного углерода (DLC) или наноструктурированного глинозема необходимы для повседневного износа, поскольку линза будет регулярно касаться и очищаться.
Будущие направления: отслеживание глаз, интеграция датчиков и ИИ
Наиболее убедительные интеллектуальные очки будут получены благодаря тесной интеграции между двигателем дисплея, камерами слежения за глазами, датчиками окружающей среды и алгоритмами искусственного интеллекта, которые понимают контекст и намерения пользователя.
Запеченный рендеринг и оптика с газовым контролем
Отслеживание глаз становится стандартной функцией в высококачественных гарнитурах AR, таких как Apple Vision Pro и Meta Quest Pro. Точно зная, куда смотрит пользователь, дисплей может уменьшить разрешение в периферийном зрении, экономя значительную вычислительную мощность и продлевая срок службы батареи. Этот метод, известный как фовированный рендеринг, требует дисплея, который может поддерживать быстро меняющиеся области высокой и низкой детализации. С микроLED-решениями и быстрыми лазерами сканирования, можно обновлять изображение в фовеа (центр взгляда) на 90 Гц, в то время как периферия обновляется на 30 Гц. Будущие интеллектуальные очки, вероятно, будут использовать модули двойного или тройного отображения на глаз — один для высокоплотного фовеального содержимого и другие для периферии — для достижения как высокого разрешения, так и широкого поля зрения.
Слияние сенсоров для пространственного понимания
Для того чтобы цифровые наложения выглядели реалистично закрепленными в физическом мире, умные очки должны иметь непрерывное, низкое время ожидания понимание окружающей среды. Это требует слияния данных с камер, датчиков глубины (LiDAR или время полета), инерциальных единиц измерения (IMU) и глазных трекеров. Система отображения должна быть в состоянии настроить проецируемое изображение, чтобы компенсировать движение головы (оптическая стабилизация изображения) и исправить для любой задержки в конвейере отслеживания. Достижения в процессорах с низким энергопотреблением и высокоскоростных межсоединениях (например, MIPI D-PHY v4.0) теперь позволяют запускать алгоритмы одновременной локализации и отображения (SLAM) с задержкой менее 15 мс. Сочетание надежного отслеживания и ярких, высококонтрастных дисплеев устранит «дрейф» и «дрожание», которые преследовали более ранние AR-очки.
AI-Powered персонализация и адаптация контента
Искусственный интеллект будет играть все более важную роль в том, как отображается контент дисплея. Модели ИИ могут прогнозировать намерения пользователя на основе взгляда, жестов и контекстных сигналов, а затем соответствующим образом регулировать прозрачность дисплея или непрозрачность виртуальных объектов. Например, когда пользователь смотрит на яркое окно, ИИ может повысить яркость наложения или затемнить волновод для поддержания читаемости. Разговорный ИИ в сочетании с моделями языка на устройстве может обеспечить поиск информации без помощи рук, не требуя от пользователя просмотра экрана телефона. Поскольку ускорители ИИ на устройстве (НПУ) становятся меньше и эффективнее, эти возможности будут встроены непосредственно в чипсет очков, уменьшая зависимость от облачной связи.
Заключение
Прозрачные и дисплейные технологии, которые обеспечивают носимые умные очки, значительно продвинулись всего за несколько лет. Прозрачные OLED и микроLED панели теперь предлагают высокую контрастность и яркость во все более прозрачном форм-факторе. Волноводная оптика превратилась из монохромных прототипов в полноцветные, широкофовентиляционные системы, которые являются компактными и эффективными. Тем не менее, значительные инженерные проблемы остаются в сроке службы батареи, удобстве использования на открытом воздухе и удобстве пользователя. Появление новых материалов, таких как перовскитные нанокристаллы, гибкие подложки и метаповерхности, обещает устранить многие из этих ограничений, в то время как более тесная интеграция с отслеживанием глаз, пространственным зондированием и ИИ откроет действительно бесшовные впечатления дополненной реальности. По мере того, как эти технологии созревают и сходятся, умные очки готовы стать повседневным устройством, естественным образом смешивая цифровую информацию с физическим миром.