Creando la pantalla de realidad virtual definitiva
Sábado 24 de
Septiembre 2022
Los científicos están explorando nuevos diseños de materiales para hacer pantallas de píxeles más pequeñas y más densas.
Después de décadas de relativa latencia, la realidad aumentada y virtual (AR y VR) se encuentran entre las tecnologías de productos de consumo de más rápido desarrollo en la actualidad. La creciente demanda del mercado de estos dispositivos de auriculares está siendo impulsada por una amplia gama de aplicaciones, desde las redes sociales hasta la educación, la medicina y, por supuesto, los juegos. Sin embargo, una adopción a mayor escala de la tecnología por parte del público en general requerirá que los auriculares sean más pequeños, livianos y económicos, y que tengan más poder de procesamiento de datos. La demanda competitiva de que sus pantallas sean más pequeñas y tengan una resolución más alta es particularmente desafiante debido a la compensación inherente entre los dos. Los avances recientes en la tecnología de visualización para VR pueden ayudar a lograr ese objetivo.
Los auriculares VR disponibles comercialmente en la actualidad siguen siendo voluminosos y difíciles de manejar cuando se usan en la cabeza. Por lo general, tienen varios centímetros de espesor y tienen la mayor parte del volumen ocupado por elementos ópticos con grandes espacios vacíos en el medio. La adopción de lentes de Fresnel más delgadas y/o películas nanoestructuradas avanzadas conocidas como metasuperficies ha permitido cierto grado de miniaturización ( 1 – 3 ). Sin embargo, los espacios entre los diversos elementos ópticos y la pantalla siguen siendo bastante grandes después de estas mejoras, y los espacios no pueden comprimirse mucho más fácilmente con estos métodos. Es posible que se necesiten nuevos tipos de metasuperficies que puedan manipular las ondas de luz para diferentes ángulos de incidencia para lograr una mayor miniaturización ( 4 , 5). Por ahora, muchos de estos componentes recientemente propuestos no funcionan en el espectro de color visible sin producir aberraciones graves. También hay diseños ópticos propuestos que, por ejemplo, utilizan lentes holográficas o matrices de microlentes con una distancia focal más corta, lo que podría reducir la distancia entre la lente y la pantalla en un factor de 2 ( 6 ). Otro enfoque de diseño propuesto para miniaturizar aún más el tamaño de los auriculares implica el uso de las llamadas ópticas plegadas, como la "lente de panqueque". Aquí, la óptica doblada hace rebotar la luz de una pantalla de un lado a otro para permitir una reducción de tamaño de un factor de 3. Sin embargo, los beneficios de la óptica doblada tienen el costo de reducir el brillo debido a la presencia de polarizadores y placas de ondas.
Este tipo de compensación entre el tamaño y la gestión eficiente de la luz es un lugar común en el diseño de sistemas AR y VR. Por ejemplo, un diseño AR que utiliza el llamado "combinador óptico de guía de ondas" tiene la ventaja de ser ultradelgado pero la desventaja de la baja eficiencia de transmisión de luz. Esto significa que más del 95 % de la luz generada por la pantalla se pierde cuando llega al ojo ( 7 ). Si se demuestra que tales compensaciones son inevitables, el desarrollo de micropantallas altamente eficientes será fundamental para la miniaturización de estos auriculares.
Además del tamaño de un visor, es muy importante su calidad de imagen. Una persona con visión 20/20 puede distinguir unos 60 píxeles por grado (PPD) cerca del centro de su campo de visión. Para poner esto en contexto, para un televisor de ultra alta definición de 75 pulgadas con 8000 píxeles de ancho (una resolución de 8K), la resolución vista por un espectador a 10 pies de distancia es >200 PPD. Sin embargo, debido a la pequeña distancia entre la pantalla y los ojos del usuario para un visor de realidad virtual hoy en día, la mejor resolución para esa experiencia es de solo ∼15 PPD. Para alcanzar el límite de resolución del ojo humano y un campo de visión de 160° en horizontal y 175° en vertical, se necesitan unos 200 millones de píxeles en una micropantalla. Esto se traduce en ~7100 píxeles por pulgada para un panel cuadrado de 2 pulgadas ( 8). Para reducir aún más un auricular VR al tamaño de un par de anteojos normales, el tamaño del panel de visualización deberá reducirse aún más y puede requerir hasta 10,000 píxeles por pulgada. A modo de comparación, la densidad de píxeles de los teléfonos inteligentes de última generación, por ejemplo, el iPhone 13 de Apple, es de ~460 píxeles por pulgada.
Se han utilizado varias micropantallas en los cascos de realidad virtual, incluidos, sobre todo, el diodo orgánico emisor de luz (OLED) y la pantalla de cristal líquido (LCD). Cada tecnología trae fortalezas y limitaciones específicas. Los OLED ofrecen un mayor contraste y una gama más amplia de colores, así como respuestas más rápidas y un perfil más delgado. Sin embargo, las pantallas OLED actuales tienden a degradarse más rápido cuando funcionan con un brillo alto. En comparación, las pantallas LCD modulan la emisión de luz de una unidad de retroiluminación separada que hace que estos sistemas de visualización sean más voluminosos. Aunque, como beneficio, pueden contar con LED inorgánicos muy brillantes y robustos para la retroiluminación, lo que hace que la pantalla wwvvv sea más duradera en general. La capacidad de admitir alto brillo de más de 30,000 cd/m 2(o "liendres", una unidad para medir la cantidad de luz emitida por área) también es una gran ventaja para los auriculares VR. Sin embargo, con el rápido desarrollo de mejores ópticas y OLED más duraderos y de mayor eficiencia energética, es probable que los OLED se conviertan en la tecnología preferida para los futuros sistemas de realidad virtual en lugar de los LCD debido a su tamaño y peso inherentemente más pequeños.
La comercialización de las pantallas OLED comenzó con el desarrollo de los teléfonos inteligentes alrededor de 2010. Las pantallas tienen una estructura de píxeles de lado a lado rojo, verde y azul (RGB), que se fabrica depositando materiales a través de una fina máscara de metal. Para estos RGB-OLED, los subpíxeles de color primario independientes permiten una eficiencia energética, brillo y pureza de color superiores. Desafortunadamente, la necesidad de la máscara de metal genera serios desafíos de fabricación que han dificultado la adopción de RGB-OLED para micropantallas con unos pocos píxeles micrométricos, así como para televisores de gran formato ( 9 , 10 ).
Esto impulsó el desarrollo de OLED blancos con filtro de color, cuya fabricación no depende del enmascaramiento. Los colores se generan colocando filtros de colores primarios sobre los OLED blancos, similar al diseño de LCD mencionado anteriormente. Debido a que no requieren enmascaramiento, los OLED con filtro de color son mucho más escalables que los RGB-OLED en su fabricación. Ya se han utilizado para una amplia gama de productos, desde pantallas pixeladas de pocos micrómetros hasta paneles grandes de escala de un metro cuadrado ( 11 ). En comparación con los OLED RGB, que es la tecnología que se usa actualmente en los auriculares VR con una resolución angular de ∼15 PPD, los OLED blancos con filtro de color pueden permitir una resolución de hasta 60 PPD.
Sin embargo, el método de definición de color utilizado por los OLED blancos con filtro de color es intrínsecamente ineficiente porque los filtros funcionan eliminando fotones valiosos que acaba de generar el OLED. Por lo tanto, por cada fotón rojo que sale del píxel rojo, el filtro habría absorbido un fotón verde y un fotón azul y, por lo tanto, habría "desperdiciado" dos tercios de la salida. Esta ineficiencia significa un mayor consumo de energía o un menor brillo. Este defecto de diseño inherente se puede mejorar mediante el uso de una estructura en la que se apilan dos o más unidades electroluminiscentes con una "capa de generación de carga" en el medio. Este es un concepto prometedor porque la capa puede actuar como un electrodo de interfaz para proporcionar energía a las luces, pero también crea una seria interferencia eléctrica entre los píxeles de color densamente empaquetados.
Para mayores eficiencias luminiscentes y densidad de píxeles, recientemente se propuso un nuevo tipo de OLED conocido como "meta-OLED" (ver la figura) ( 12). Los OLED de microcavidad convencionales han demostrado que es posible aprovechar las resonancias ópticas para mejorar la extracción de luz de un color específico. Esto es similar a cómo una cavidad acústica, digamos la de una flauta, solo resuena y emite ondas sonoras de cierta frecuencia. En los meta-OLED, un nanopatrón en los espejos determina el color de la luz emitida. Esta arquitectura no requiere el uso de filtros de color o máscaras de metal fino. La pantalla meta-OLED resultante se puede implementar con una densidad de píxeles ultra alta de >10 000 píxeles por pulgada, acercándose al límite físico fundamental establecido por la longitud de onda de la luz visible. Los meta-OLED también pueden lograr una mayor eficiencia y una mejor definición del color que sus predecesores. Debido a que la fase de reflexión de los metaespejos estampados puede diseñarse para que dependa de la frecuencia, Los meta-OLED también pueden eludir la diafonía óptica que se observa en los OLED de microcavidad convencionales. La tecnología Meta-OLED actualmente está ganando interés por parte de las empresas y puede convertirse en una de las primeras tecnologías de metamateriales comerciales.
Además de crear pantallas mejores y más pequeñas, todavía hay otras vías para mejorar los dispositivos AR y VR. Por ejemplo, el uso de una pantalla curva permitirá una expansión del campo de visión sin depender tanto de las lentes. Para alimentar cada píxel individual, una sola placa posterior de silicio cristalino puede ser la más adecuada desde la perspectiva de los materiales electrónicos, pero es un desafío hacerla curva. Para membranas de silicio ultrafinas con alto rendimiento y flexibilidad, se han demostrado varios enfoques sostenibles que utilizan tecnología de silicio sobre aislante y rectificado mecánico, pero persisten las preocupaciones sobre costos y producción en masa ( 13). Otra vía de mejora es encontrar trucos en la biología humana. Por ejemplo, la densidad de píxeles ultraalta no es necesaria en todo el campo de visión todo el tiempo. La sensibilidad del ojo humano de 60 PPD mencionada anteriormente solo es cierta cerca de una pequeña parte en el centro de la retina, conocida como fóvea central. Una pantalla avellanada, en la que una imagen solo se representa con la resolución más alta cuando el usuario la mira fijamente, puede aligerar en gran medida la carga de trabajo del procesador de gráficos al reducir la calidad de la imagen en la visión periférica ( 13 , 14 ). También puede reducir el mareo causado por una experiencia de realidad virtual no optimizada. El renderizado foveado puede desenfocar automáticamente la visión periférica del usuario, lo que se ha demostrado que alivia el mareo por movimiento inducido por la realidad virtual ( 15). Sin embargo, una pantalla rotativa eficaz requerirá un seguimiento preciso de los movimientos de los ojos y la cabeza del usuario, lo que añade otra dimensión de complejidad al diseño general. Dicho esto, un sistema de renderizado mejorado puede ser el próximo paso que se pueda lograr de manera más inmediata para mejorar las experiencias de realidad virtual, si puede reducir el tiempo de respuesta del sensor de movimiento, el procesamiento de procesamiento y la visualización para crear una experiencia lo suficientemente fluida desde el punto de vista del usuario. .
La introducción de los diversos conceptos de visualización está destinada a ser gradual y secuencial. Para muchas aplicaciones prácticas, el hardware de realidad virtual no necesita ser perfecto. Están surgiendo muchos casos de uso nuevos que desencadenarán la transición de los dispositivos móviles a los portátiles. Si esta transición ocurre, y cuando ocurra, provocará un gran cambio de paradigma en la forma en que los humanos interactúan con el mundo digital. Esta es quizás la razón por la que casi todas las principales empresas de electrónica del mundo están invirtiendo recursos sustanciales en tecnología AR y VR. En los próximos años, si el interés comercial en los cascos VR sigue siendo alto, las diversas tecnologías de vanguardia mencionadas aquí deberían comenzar a abrirse camino en los productos de consumo y ayudar a popularizar aún más el uso de las tecnologías VR y AR.
Los auriculares VR disponibles comercialmente en la actualidad siguen siendo voluminosos y difíciles de manejar cuando se usan en la cabeza. Por lo general, tienen varios centímetros de espesor y tienen la mayor parte del volumen ocupado por elementos ópticos con grandes espacios vacíos en el medio. La adopción de lentes de Fresnel más delgadas y/o películas nanoestructuradas avanzadas conocidas como metasuperficies ha permitido cierto grado de miniaturización ( 1 – 3 ). Sin embargo, los espacios entre los diversos elementos ópticos y la pantalla siguen siendo bastante grandes después de estas mejoras, y los espacios no pueden comprimirse mucho más fácilmente con estos métodos. Es posible que se necesiten nuevos tipos de metasuperficies que puedan manipular las ondas de luz para diferentes ángulos de incidencia para lograr una mayor miniaturización ( 4 , 5). Por ahora, muchos de estos componentes recientemente propuestos no funcionan en el espectro de color visible sin producir aberraciones graves. También hay diseños ópticos propuestos que, por ejemplo, utilizan lentes holográficas o matrices de microlentes con una distancia focal más corta, lo que podría reducir la distancia entre la lente y la pantalla en un factor de 2 ( 6 ). Otro enfoque de diseño propuesto para miniaturizar aún más el tamaño de los auriculares implica el uso de las llamadas ópticas plegadas, como la "lente de panqueque". Aquí, la óptica doblada hace rebotar la luz de una pantalla de un lado a otro para permitir una reducción de tamaño de un factor de 3. Sin embargo, los beneficios de la óptica doblada tienen el costo de reducir el brillo debido a la presencia de polarizadores y placas de ondas.
Este tipo de compensación entre el tamaño y la gestión eficiente de la luz es un lugar común en el diseño de sistemas AR y VR. Por ejemplo, un diseño AR que utiliza el llamado "combinador óptico de guía de ondas" tiene la ventaja de ser ultradelgado pero la desventaja de la baja eficiencia de transmisión de luz. Esto significa que más del 95 % de la luz generada por la pantalla se pierde cuando llega al ojo ( 7 ). Si se demuestra que tales compensaciones son inevitables, el desarrollo de micropantallas altamente eficientes será fundamental para la miniaturización de estos auriculares.
Además del tamaño de un visor, es muy importante su calidad de imagen. Una persona con visión 20/20 puede distinguir unos 60 píxeles por grado (PPD) cerca del centro de su campo de visión. Para poner esto en contexto, para un televisor de ultra alta definición de 75 pulgadas con 8000 píxeles de ancho (una resolución de 8K), la resolución vista por un espectador a 10 pies de distancia es >200 PPD. Sin embargo, debido a la pequeña distancia entre la pantalla y los ojos del usuario para un visor de realidad virtual hoy en día, la mejor resolución para esa experiencia es de solo ∼15 PPD. Para alcanzar el límite de resolución del ojo humano y un campo de visión de 160° en horizontal y 175° en vertical, se necesitan unos 200 millones de píxeles en una micropantalla. Esto se traduce en ~7100 píxeles por pulgada para un panel cuadrado de 2 pulgadas ( 8). Para reducir aún más un auricular VR al tamaño de un par de anteojos normales, el tamaño del panel de visualización deberá reducirse aún más y puede requerir hasta 10,000 píxeles por pulgada. A modo de comparación, la densidad de píxeles de los teléfonos inteligentes de última generación, por ejemplo, el iPhone 13 de Apple, es de ~460 píxeles por pulgada.
Se han utilizado varias micropantallas en los cascos de realidad virtual, incluidos, sobre todo, el diodo orgánico emisor de luz (OLED) y la pantalla de cristal líquido (LCD). Cada tecnología trae fortalezas y limitaciones específicas. Los OLED ofrecen un mayor contraste y una gama más amplia de colores, así como respuestas más rápidas y un perfil más delgado. Sin embargo, las pantallas OLED actuales tienden a degradarse más rápido cuando funcionan con un brillo alto. En comparación, las pantallas LCD modulan la emisión de luz de una unidad de retroiluminación separada que hace que estos sistemas de visualización sean más voluminosos. Aunque, como beneficio, pueden contar con LED inorgánicos muy brillantes y robustos para la retroiluminación, lo que hace que la pantalla wwvvv sea más duradera en general. La capacidad de admitir alto brillo de más de 30,000 cd/m 2(o "liendres", una unidad para medir la cantidad de luz emitida por área) también es una gran ventaja para los auriculares VR. Sin embargo, con el rápido desarrollo de mejores ópticas y OLED más duraderos y de mayor eficiencia energética, es probable que los OLED se conviertan en la tecnología preferida para los futuros sistemas de realidad virtual en lugar de los LCD debido a su tamaño y peso inherentemente más pequeños.
La comercialización de las pantallas OLED comenzó con el desarrollo de los teléfonos inteligentes alrededor de 2010. Las pantallas tienen una estructura de píxeles de lado a lado rojo, verde y azul (RGB), que se fabrica depositando materiales a través de una fina máscara de metal. Para estos RGB-OLED, los subpíxeles de color primario independientes permiten una eficiencia energética, brillo y pureza de color superiores. Desafortunadamente, la necesidad de la máscara de metal genera serios desafíos de fabricación que han dificultado la adopción de RGB-OLED para micropantallas con unos pocos píxeles micrométricos, así como para televisores de gran formato ( 9 , 10 ).
Esto impulsó el desarrollo de OLED blancos con filtro de color, cuya fabricación no depende del enmascaramiento. Los colores se generan colocando filtros de colores primarios sobre los OLED blancos, similar al diseño de LCD mencionado anteriormente. Debido a que no requieren enmascaramiento, los OLED con filtro de color son mucho más escalables que los RGB-OLED en su fabricación. Ya se han utilizado para una amplia gama de productos, desde pantallas pixeladas de pocos micrómetros hasta paneles grandes de escala de un metro cuadrado ( 11 ). En comparación con los OLED RGB, que es la tecnología que se usa actualmente en los auriculares VR con una resolución angular de ∼15 PPD, los OLED blancos con filtro de color pueden permitir una resolución de hasta 60 PPD.
Sin embargo, el método de definición de color utilizado por los OLED blancos con filtro de color es intrínsecamente ineficiente porque los filtros funcionan eliminando fotones valiosos que acaba de generar el OLED. Por lo tanto, por cada fotón rojo que sale del píxel rojo, el filtro habría absorbido un fotón verde y un fotón azul y, por lo tanto, habría "desperdiciado" dos tercios de la salida. Esta ineficiencia significa un mayor consumo de energía o un menor brillo. Este defecto de diseño inherente se puede mejorar mediante el uso de una estructura en la que se apilan dos o más unidades electroluminiscentes con una "capa de generación de carga" en el medio. Este es un concepto prometedor porque la capa puede actuar como un electrodo de interfaz para proporcionar energía a las luces, pero también crea una seria interferencia eléctrica entre los píxeles de color densamente empaquetados.
Para mayores eficiencias luminiscentes y densidad de píxeles, recientemente se propuso un nuevo tipo de OLED conocido como "meta-OLED" (ver la figura) ( 12). Los OLED de microcavidad convencionales han demostrado que es posible aprovechar las resonancias ópticas para mejorar la extracción de luz de un color específico. Esto es similar a cómo una cavidad acústica, digamos la de una flauta, solo resuena y emite ondas sonoras de cierta frecuencia. En los meta-OLED, un nanopatrón en los espejos determina el color de la luz emitida. Esta arquitectura no requiere el uso de filtros de color o máscaras de metal fino. La pantalla meta-OLED resultante se puede implementar con una densidad de píxeles ultra alta de >10 000 píxeles por pulgada, acercándose al límite físico fundamental establecido por la longitud de onda de la luz visible. Los meta-OLED también pueden lograr una mayor eficiencia y una mejor definición del color que sus predecesores. Debido a que la fase de reflexión de los metaespejos estampados puede diseñarse para que dependa de la frecuencia, Los meta-OLED también pueden eludir la diafonía óptica que se observa en los OLED de microcavidad convencionales. La tecnología Meta-OLED actualmente está ganando interés por parte de las empresas y puede convertirse en una de las primeras tecnologías de metamateriales comerciales.
Además de crear pantallas mejores y más pequeñas, todavía hay otras vías para mejorar los dispositivos AR y VR. Por ejemplo, el uso de una pantalla curva permitirá una expansión del campo de visión sin depender tanto de las lentes. Para alimentar cada píxel individual, una sola placa posterior de silicio cristalino puede ser la más adecuada desde la perspectiva de los materiales electrónicos, pero es un desafío hacerla curva. Para membranas de silicio ultrafinas con alto rendimiento y flexibilidad, se han demostrado varios enfoques sostenibles que utilizan tecnología de silicio sobre aislante y rectificado mecánico, pero persisten las preocupaciones sobre costos y producción en masa ( 13). Otra vía de mejora es encontrar trucos en la biología humana. Por ejemplo, la densidad de píxeles ultraalta no es necesaria en todo el campo de visión todo el tiempo. La sensibilidad del ojo humano de 60 PPD mencionada anteriormente solo es cierta cerca de una pequeña parte en el centro de la retina, conocida como fóvea central. Una pantalla avellanada, en la que una imagen solo se representa con la resolución más alta cuando el usuario la mira fijamente, puede aligerar en gran medida la carga de trabajo del procesador de gráficos al reducir la calidad de la imagen en la visión periférica ( 13 , 14 ). También puede reducir el mareo causado por una experiencia de realidad virtual no optimizada. El renderizado foveado puede desenfocar automáticamente la visión periférica del usuario, lo que se ha demostrado que alivia el mareo por movimiento inducido por la realidad virtual ( 15). Sin embargo, una pantalla rotativa eficaz requerirá un seguimiento preciso de los movimientos de los ojos y la cabeza del usuario, lo que añade otra dimensión de complejidad al diseño general. Dicho esto, un sistema de renderizado mejorado puede ser el próximo paso que se pueda lograr de manera más inmediata para mejorar las experiencias de realidad virtual, si puede reducir el tiempo de respuesta del sensor de movimiento, el procesamiento de procesamiento y la visualización para crear una experiencia lo suficientemente fluida desde el punto de vista del usuario. .
La introducción de los diversos conceptos de visualización está destinada a ser gradual y secuencial. Para muchas aplicaciones prácticas, el hardware de realidad virtual no necesita ser perfecto. Están surgiendo muchos casos de uso nuevos que desencadenarán la transición de los dispositivos móviles a los portátiles. Si esta transición ocurre, y cuando ocurra, provocará un gran cambio de paradigma en la forma en que los humanos interactúan con el mundo digital. Esta es quizás la razón por la que casi todas las principales empresas de electrónica del mundo están invirtiendo recursos sustanciales en tecnología AR y VR. En los próximos años, si el interés comercial en los cascos VR sigue siendo alto, las diversas tecnologías de vanguardia mencionadas aquí deberían comenzar a abrirse camino en los productos de consumo y ayudar a popularizar aún más el uso de las tecnologías VR y AR.
