Trends und Herausforderungen für AR/VR-Geräte – Technologien und Produkte, die Lösungen bieten

Neue Trends bei Displays für AR/VR-Geräte

Mit dem Wachstum des Metaverse-bezogenen Marktes wird auch der Markt für AR/VR-Geräte, die getragen werden, um diese Welt zu erleben, voraussichtlich weiter wachsen und sich ausweiten. Diese Geräte verwenden verschiedene Arten von Displays als visuelle Anzeigeausrüstung, um Benutzer in die Metaverse-Welt eintauchen zu lassen.

Da die Verkaufszahlen von AR- und VR-Geräten steigen, wächst auch der Markt für die darin verwendeten Displays Jahr für Jahr. Darüber hinaus ändern sich die eingesetzten Displays jedes Jahr leicht, um den immer ausgefeilteren Anzeigefunktionen der Geräte gerecht zu werden. Um das visuelle Erlebnis des Benutzers zu verbessern, werden neuere Geräte außerdem zunehmend mit einem Display pro Auge (insgesamt zwei Displays) ausgestattet, statt der herkömmlichen Methode, bei der jedes Auge ein Display sieht. Infolgedessen wächst die Nachfrage nach Displays für AR- und VR-Geräte weiterhin stetig.

Vor diesem Hintergrund erläutern wir nun die Trends, welche Arten von Displays in naher Zukunft in AR/VR-Geräten verbaut werden.

VR-Geräte kehren zu LTPS-LCDs zurück

Die in VR-Geräten verwendeten Displays, die den Nutzern das Gefühl vermitteln, in einer anderen Welt zu sein, sind derzeit üblicherweise TFT-basierte (Dünnschichttransistor) LTPS-LCDs (Low-Temperature Polycrystalline Liquid Crystal Displays) oder AMOLED-Displays (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode Displays). Diese beiden Displaytypen werden bereits seit einiger Zeit in Smartphones verwendet und kommen nun auch in VR-Geräten zum Einsatz.

Insbesondere AMOLEDs wurden bis vor Kurzem in vielen VR-Geräten eingesetzt, da sie LTPS-LCDs hinsichtlich ihrer schnellen Reaktionszeit und ihres großen Farbraums überlegen waren. Allerdings weisen AMOLEDs Einschränkungen hinsichtlich Pixelanzahl und -dichte auf. Eine Herausforderung besteht darin, den PPI (Pixel pro Zoll) auf ein bestimmtes Niveau zu erhöhen und Farbunregelmäßigkeiten zu reduzieren. Darüber hinaus ist der Einbau in Geräte aufgrund ihrer hohen Kosten schwierig.

Aufgrund dieser Bedingungen haben sich LTPS-LCDs aufgrund ihrer höheren PPI und ihres niedrigeren Preises zum Mainstream-Display für VR-Geräte entwickelt.

Die zur Herstellung von Displays wie LTPS-LCDs und AMOLEDs erforderlichen Lieferketten sind in Japan, China, Korea und Taiwan gut etabliert.

Da VR-Geräte in letzter Zeit immer weiter verbreitet sind, suchen immer mehr Benutzer nach umfassenderen Erlebnissen. Da die Benutzer immer vertrauter mit dem Metaversum werden, verlangen sie von ihren VR-Displays eine höhere Auflösung, ein breiteres Farbspektrum, schnellere Reaktionszeiten und mehr.

Als Reaktion auf diese Nachfrage setzen immer mehr Marken OLEDoS (organische Leuchtdioden auf Silizium) in ihren VR-Geräten ein, um verbesserte visuelle Effekte zu erzielen. OLEDoS lagert OLED Schaltkreise auf einem Silizium-Wafer statt auf einem Glas- oder Polyimidsubstrat ab, was kleinere Pixel und dünnere Geräte ermöglicht. Sie bieten zudem eine bessere visuelle Leistung als AMOLED- oder LTPS-LCD-Displays. Daher zieht die OLEDoS-Technologie die Aufmerksamkeit und Investitionen globaler Metaverse-Marken, insbesondere chinesischer Unternehmen, auf sich.

AR-Displays warten auf ihre Reife

Die meisten Displays in AR-Geräten verwenden Siliziumsubstrate. Zu den derzeit in diesen Geräten eingesetzten Mikrodisplay-Technologien gehören LCOS (Liquid Crystal on Silicon), DMD (Digital Micromirror Device), LBS (Laser Beam Scanner), OLEDoS und LEDoS (LED on Silicon).

Allerdings gibt es bei allen aktuellen AR-Displays Probleme mit der Helligkeit und der optischen Effizienz der Linsen, und es wurden bisher keine optimierten Produkte entwickelt. Beispielsweise können Displays mit LEDoS die Helligkeit zwar gut verbessern, es fehlt ihnen jedoch an der Leistung einer Vollfarbanzeige und auch andere Anzeigetechnologien haben ihre Vor- und Nachteile. Aus diesem Grund wird davon ausgegangen, dass es bis 2022 noch 3 bis 5 Jahre dauern wird, bis die AR-Displaytechnologie ausgereift ist.

Darüber hinaus ist es bei Geräten wie Head-Mounted Displays äußerst wichtig, sie kleiner, dünner und leichter zu machen. In jüngster Zeit werden zunehmend spezielle optische Linsen, sogenannte „Fresnel-Linsen“, in Kombination mit den Displays von VR-Geräten verwendet, um die Größe der Geräte zu reduzieren. Eine Fresnel-Linse ist eine Linse, in deren Oberfläche konzentrische Rillen eingraviert sind und die einen sägezahnförmigen Querschnitt aufweist, wie in der Abbildung unten dargestellt. Ein Hauptmerkmal dieser Linsen ist, dass sie dünner und leichter als normale Linsen hergestellt werden können.

Fliegengitterphänomen, bei dem im Video ein Maschenmuster sichtbar ist

Darüber hinaus ist das „Fliegengitterphänomen“ ein Problem bei den Displays von VR-, AR- und MR-Geräten, die auf eine hohe Bildqualität abzielen. Beim Fliegengittereffekt handelt es sich um ein Problem, bei dem Lücken zwischen den Pixeln (ein Maschenmuster) sichtbar sind. Dadurch entsteht der Eindruck, als würde man die Szenerie durch ein Fliegengitter betrachten, was das Eintauchen in die Bildwelt maßgeblich verhindert.

Heutzutage hat sich die Auflösung von VR-Displays im Vergleich zu vor einigen Jahren dramatisch verbessert. Da die Displays eine höhere Pixelanzahl und höhere Auflösung aufweisen, tritt das Fliegengitterphänomen deutlich seltener auf. Allerdings ist das Problem noch immer nicht vollständig gelöst.

PPD (Pixel Per Degree) ist eine Zahl, die die Bildqualität eines Displays für ein VR-Gerät angibt. PPD ist eine Maßeinheit zur Angabe der Bildschirmauflösung und bezeichnet die Anzahl der Pixel pro Grad Sichtwinkel. Die Berechnungsmethode kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

2d (Betrachtungsabstand) × r (Anzahl der Pixel auf dem Display) × tan (0,5°)

Die Auflösung des menschlichen Auges liegt im Allgemeinen bei etwa 60 ppd. Es heißt, wenn eine Person mit Sehvermögen 2,0 ein Bild auf einem am Kopf befestigten Display mit einer PPD von über 60 ppd betrachten würde, „wäre es nicht von der Realität zu unterscheiden.“ Unternehmen auf der ganzen Welt arbeiten derzeit an der Entwicklung von Geräten, die den PPD-Wert auf nahezu 60 ppd steigern können.

Die Technologien von Dexerials tragen zu VR/AR-Geräten bei

Die Produkte und Technologien von Dexerials tragen auf verschiedene Weise zu vielen der in diesen VR- und AR-Geräten verwendeten Displays bei.

Anisotrope leitfähige Filme (ACF) werden häufig in LTPS-LCDs und AMOLEDs zum Verbinden von Treiber-ICs verwendet. Im Zuge des Trends zu höher auflösenden Displays mit höherer Pixeldichte kommt Dexerials‘ einzigartiges Produkt ArrayFIX, ein partikelförmig angeordneter anisotroper leitfähiger Film, zunehmend zum Einsatz. ArrayFix trägt zu einer verbesserten Bildqualität bei, insbesondere bei Hochleistungsgeräten.

Bei LCOS und OLEDoS müssen die Displayschaltungen zusätzlich auf ein Siliziumsubstrat gebondet werden, wobei ACFs für die Verdrahtung genutzt werden. Im Gegensatz zu Glassubstraten wie LTPS-LCDs und AMOLEDs verfügen Siliziumsubstrate über eine hohe Wärmediffusionsfähigkeit. Die beim Bonden von Treiber-ICs und FPCs entstehende Wärme entweicht tendenziell über das Substrat, was die Wärmeübertragung auf die ACFs erschwert. Dank unserer Expertise in der Displaytechnologie kann Dexerials das optimale Bondverfahren vorschlagen.

Wird Laserlicht als Lichtquelle für ein AR-Display verwendet, müssen die Komponenten im Strahlengang eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Anorganische optische Komponenten wie anorganische Diffusoren und Wellenplatten, entwickelt von der Dexerials Precision Components Corporation (jetzt Dexerials Photonics Solutions Corporation (DXPS), weisen eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit auf.

Darüber hinaus können anorganische Wellenplatten dazu beitragen, den Kontrast in der LCOS-Technologie zu verbessern, die häufig in AR-Geräten verwendet wird.

Neben Displays müssen auch die Komponenten um die Linsen von VR-Geräten dünner sein, was zur Verwendung von Pancake-Linsen führen könnte. Solche Geräte optimieren die Bildqualität durch die Laminierung mehrerer organischer Polarisatoren und Wellenplatten. Der Laminierungsprozess kann jedoch Wellenfrontaberrationen und Phasenverschiebungen verursachen, die die Bildqualität beeinträchtigen und das immersive Erlebnis beeinträchtigen können. Anorganische Wellenplatten bieten eine Alternative, um dünnere Produkte ohne Wellenfrontaberrationen zu ermöglichen. Die von Dexerials hergestellten anorganischen Materialien werden häufig in Projektoren verwendet, und es besteht kein Zweifel daran, dass ihre Verwendung in VR- und AR-Geräten zunehmen wird.

Aus diesem Grund verfügt Dexerials über hochmoderne Produkte und differenzierende Technologien für eine Vielzahl von Anwendungen im Zusammenhang mit AR- und VR-Geräten. Durch diese Technologien werden wir zum Wachstum und zur Entwicklung des Metaversums beitragen, von dem wir erwarten, dass es noch mehr Erfolgschancen bietet.