A‑RPD: Màn hình micro‑LED có thể chiếu hình ảnh thẳng lên võng mạc

Ý tưởng cốt lõi: mỗi pixel là một máy chiếu nhỏ

Trong màn hình gần mắt truyền thống, microdisplay chỉ tạo ảnh. Sau đó ánh sáng phải đi qua các thấu kính hoặc waveguide để được định hướng trước khi tới mắt.

Ở A‑RPD, phần lớn công việc quang học được tích hợp ngay trên chip hiển thị.

Cấu trúc của hệ thống gồm:

• Mỗi pixel là một nguồn sáng micro‑LED.
• Mảng micro‑LED được điều khiển bởi CMOS backplane để kiểm soát độ sáng và thời gian phát sáng.
• Phía trên từng pixel có bộ chuẩn trực (collimator) siêu nhỏ.

Các collimator này khiến ánh sáng phát ra từ mỗi pixel trở thành chùm tia song song (collimated beam). Nhờ vậy, ánh sáng có thể đi thẳng qua đồng tử và rơi trực tiếp lên võng mạc, không cần hệ quang học tạo ảnh bổ sung.

Nguyên lý này được gọi là pixel‑to‑pixel collimation — mỗi pixel tạo ra một chùm tia được định hướng chính xác góp phần tạo nên hình ảnh cuối cùng trên võng mạc.

Vì sao có thể bỏ waveguide và thấu kính lớn

Phần lớn kính AR hiện nay dùng waveguide hoặc hệ thấu kính để đặt một “ảnh ảo” trước mắt người dùng. Những thành phần này làm tăng:

• kích thước
• trọng lượng
• độ phức tạp khi căn chỉnh
• thất thoát ánh sáng

Trong kiến trúc A‑RPD, màn hình microdisplay đảm nhiệm cả hai chức năng:

1. Tạo ảnh (image generation)
2. Định hướng chùm sáng (beam shaping)

Vì ánh sáng đã được chuẩn trực ngay từ pixel, thiết bị có thể gửi ảnh trực tiếp qua đồng tử, loại bỏ nhu cầu dùng waveguide hoặc hệ chiếu ngoài.

Điều này có thể giúp kính AR tương lai nhẹ hơn và đơn giản hơn đáng kể.

Giảm xung đột vergence‑accommodation

Một vấn đề lớn của kính AR/VR là vergence‑accommodation conflict (VAC) — nguyên nhân gây mỏi mắt hoặc chóng mặt.

Trong thị giác bình thường:

• Hai mắt hội tụ (vergence) vào vật thể.
• Thủy tinh thể điều tiết (accommodation) để lấy nét ở cùng khoảng cách.

Trong nhiều headset hiện nay, hình ảnh hiển thị ở một khoảng cách quang học cố định, nhưng hiệu ứng lập thể lại gợi ý vật thể ở khoảng cách khác. Sự không khớp này gây khó chịu khi sử dụng lâu.

Các hệ retinal projection hoạt động theo nguyên lý giống Maxwellian view: ánh sáng đi qua trung tâm đồng tử rồi chiếu thẳng lên võng mạc.

Kết quả là hình ảnh trên võng mạc vẫn sắc nét dù mắt đang lấy nét ở nhiều khoảng cách khác nhau, tạo điều kiện gần như “luôn luôn rõ nét” với độ sâu trường ảnh rất lớn.

Vì vậy, retinal projection được xem là một cách tiếp cận quan trọng để giảm hoặc loại bỏ VAC trong hệ hiển thị gần mắt.

Nguyên mẫu thử nghiệm: ảnh rõ từ 40 cm đến 160 cm

Trong nguyên mẫu A‑RPD được chế tạo, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra khả năng hiển thị thực tế.

Kết quả:

• Hình ảnh trên võng mạc rõ nét trong khoảng 40 cm đến 160 cm.
• Hiệu năng này tốt hơn đáng kể so với microdisplay không có collimation.

Khoảng độ sâu lấy nét lớn như vậy cho thấy lợi ích của việc đưa chùm ánh sáng song song trực tiếp vào mắt.

Vì sao micro‑LED mật độ cực cao rất quan trọng

Để chiếu hình ảnh trực tiếp lên võng mạc với chất lượng cao, màn hình phải có pixel cực nhỏ và mật độ rất cao.

Micro‑LED được xem là công nghệ lý tưởng cho AR/VR vì:

• độ sáng rất cao
• hiệu suất năng lượng tốt
• tuổi thọ dài
• kích thước pixel cực nhỏ phù hợp với màn hình gần mắt.

Các nghiên cứu gần đây cho thấy mật độ pixel đang tăng nhanh. Ví dụ, mảng nanopillar GaN LED đã đạt khoảng 6.336 pixel trên mỗi inch (PPI) trong thử nghiệm — một bước tiến quan trọng hướng tới màn hình AR/VR siêu nét.

Khi màn hình đặt cách mắt chỉ vài milimét, mật độ pixel càng cao thì độ phân giải góc (angular resolution) càng tốt.

Những thách thức kỹ thuật còn lại

Dù nguyên mẫu rất hứa hẹn, A‑RPD vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu. Một số vấn đề cần giải quyết trước khi thương mại hóa gồm:

• mở rộng eyebox (vùng mắt có thể di chuyển mà vẫn thấy hình)
• thu nhỏ hơn nữa các thành phần quang học
• sản xuất mảng micro‑LED độ phân giải cao với độ đồng đều lớn ở quy mô công nghiệp.

Nếu vượt qua được những rào cản này, A‑RPD có thể mở ra một hướng thiết kế mới cho kính AR: màn hình tự đảm nhiệm gần như toàn bộ hệ quang học, chiếu nội dung kỹ thuật số trực tiếp lên võng mạc.

Kết quả cuối cùng có thể là kính AR nhẹ, gọn và sắc nét hơn nhiều so với các thiết bị hiện nay.