كيف تعمل تقنية الدليل الموجي الحيود في شاشات الواقع المعزز؟

في مقالتنا السابقة، 'ما هو الدليل الموجي الحيود للواقع المعزز؟'، شرحنا المبادئ الأساسية للأدلة الموجية الحيودية وأبرزنا الاختلافات بين الأدلة الموجية لشبكات تخفيف السطح والأدلة الموجية لشبكات الحيود الحجمية. اليوم، سوف نتعمق أكثر في الوظائف الأساسية واتجاهات التحسين لأدلة الموجات الحيادية، ونناقش سبب ظهور أدلة الموجات الحيادية المستندة إلى شبكات تخفيف السطح باعتبارها تقنية العرض السائدة لنظارات الواقع المعزز.

01 الوظائف الأساسية للأدلة الموجية الحيادية

1. نقل الصورة متساوي القياس

من مقالاتنا السابقة، نعلم أنه لكي يتمكن الدليل الموجي الحيود من توجيه الضوء المنبعث من نظام الإسقاط الدقيق (المحرك البصري) إلى العين البشرية، فإنه يجب أن يخضع لعمليات الاقتران والاقتران. على وجه التحديد، يدخل الضوء المنبعث من المحرك البصري إلى الدليل الموجي المسطح من خلال شبكة التوصيل، وينتشر داخله عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي، وينتقل أخيرًا إلى العين عن طريق شبكة التوصيل الخارجية.

الجانب الأكثر أهمية في هذه العملية هو التفكير الداخلي الكامل. ولكن ما هو بالضبط الانعكاس الداخلي الكلي؟

يحدث الانعكاس الداخلي الكلي عندما ينتقل الضوء من وسط ذو معامل انكسار أعلى إلى وسط ذو معامل انكسار أقل، وتكون زاوية السقوط أكبر من أو تساوي الزاوية الحرجة. عندما يتم استيفاء شروط الانعكاس الداخلي الكلي، سينتشر الضوء بشكل مستمر عبر الدليل الموجي المسطح عن طريق الانعكاس دون أن ينتقل إلى الخارج، مما يسمح بتغيير اتجاه الضوء. ومن الظواهر الطبيعية المعروفة الناتجة عن الانعكاس الداخلي الكلي هو السراب.

عادةً ما تقوم نظارات الواقع المعزز بإخراج الصور باستخدام محرك بصري. ومع ذلك، فإن وضع المحرك البصري مباشرة على العدسة من شأنه أن يعيق رؤية المستخدم ويكون غير جذاب بصريًا. علاوة على ذلك، فإن الاعتماد على المحرك البصري فقط لن يحقق التأثير المطلوب من دمج الصور الافتراضية والحقيقية.

من خلال الاستفادة من مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي، يمكن للأدلة الموجية الانحرافية إجراء نقل متساوي القياس للصور التي يعرضها المحرك البصري، مما يسمح بوضع المحرك البصري في أعلى النظارات أو جانبها. لا يتجنب هذا النهج إعاقة خط رؤية المستخدم فحسب، بل أيضًا، نظرًا لمعدل نقل الضوء العالي والشكل الرفيع للدليل الموجي الحيادي، يجعل نظارات الواقع المعزز أقرب في المظهر إلى النظارات العادية مع تحقيق التأثير المطلوب للتكامل الافتراضي-الحقيقي.

من المهم ملاحظة أن الدليل الموجي الحيود مسؤول فقط عن نقل الصورة إلى العين ولا يؤثر على محتوى الصورة نفسها، مما يعني أنه ليس لديه القدرة على تكبير حجم الصورة أو تصغيره.

2. توسيع الحدقة ثنائي الأبعاد

تفتقر حلول العرض البصري القياسية عادةً إلى إمكانيات توسيع حدقة العين، مما يحد من قدرة المشاهد على رؤية الصور فقط ضمن نطاق حجم حدقة خروج المحرك البصري (أي نطاق حركة العين). على سبيل المثال، إذا كان قياس حدقة الخروج للمحرك البصري يبلغ φ5 مم، فيمكن للمستخدم عرض الصورة فقط ضمن نطاق φ5 مم. وهذا يشبه النظر إلى العالم من خلال ثقب الباب، مما يقلل بشكل كبير من الانغماس والتجربة البصرية.

ولمعالجة هذه المشكلة، يمكن للأدلة الموجية الحيادية تحقيق توسيع حدقة العين ثنائية الأبعاد، مما يؤدي إلى توسيع حدقة الخروج مع الحفاظ على حجم مضغوط ومجال رؤية واسع. يؤدي هذا إلى زيادة نطاق حركة العين بشكل فعال في كلا الاتجاهين، مما يوفر إحساسًا قويًا بالانغماس وتجربة بصرية محسنة، مع استيعاب مسافات مختلفة بين الحدقتين. وهذا يمثل الوظيفة الأساسية الثانية للأدلة الموجية الحيود.

هناك عمومًا طريقتان لتنفيذ توسيع حدقة العين ثنائي الأبعاد. يتضمن الأول استخدام ثلاث شبكات أحادية البعد (على سبيل المثال، شبكة التوصيل، وشبكة الانحناء، وشبكة التوصيل للخارج). يستخدم النهج الثاني مقضبًا أحادي البعد (شبك اقتران) ومشبكًا ثنائي الأبعاد (شبك اقترانًا خارجيًا).

في النهج الأول، يقترن الضوء المنبعث من المحرك البصري بالدليل الموجي من خلال شبكة الاقتران. يخضع الضوء بعد ذلك لانعكاس داخلي كلي ويضرب الشبكة المنحنية، حيث يتم إعادة توجيه جزء من الضوء إلى شبكة التوصيل، بينما يستمر الضوء المتبقي في الانتشار للأمام من خلال الانعكاس. سوف يضرب هذا الضوء مرة أخرى الشبكة المنحنية، وسيتم إعادة توجيه جزء آخر إلى شبكة التوصيل الخارجية. يتم تكرار هذه العملية لتحقيق توسع الحدقة أحادي البعد.

أخيرًا، الضوء الذي يصل إلى شبكة التوصيل سوف ينحرف بعضًا منه إلى داخل العين، بينما يستمر الضوء المتبقي في الانتشار للأمام من خلال الانعكاس، ويتفاعل مرة أخرى مع شبكة التوصيل. تؤدي هذه العملية إلى اتجاه آخر لتوسع حدقة العين أحادية البعد. عندما يتم الجمع بين هذين التوسعين أحادي البعد، فإنهما ينتجان توسعًا ثنائي الأبعاد لحدقة العين.

في الطريقة الثانية، تبدأ العملية أيضًا عن طريق اقتران الضوء المنبعث من المحرك البصري بالدليل الموجي باستخدام شبكة الاقتران. بعد ذلك، يخضع الضوء لانعكاس داخلي كلي ويضرب شبكة التوصيل ثنائية الأبعاد. عند هذه النقطة، ينحرف جزء من الضوء إلى داخل العين، بينما ينقسم الضوء المتبقي ويستمر في الانتشار للأمام من خلال الانعكاس في الاتجاهين الأفقي والرأسي.

سوف يتفاعل الضوء بعد ذلك مرة أخرى مع شبكة التوصيل، حيث ينحرف جزء آخر إلى العين. يتم تكرار هذه العملية، مما يؤدي بشكل فعال إلى توسيع حدقة العين ثنائية الأبعاد.

ما سبق يصف العمليات الفيزيائية لمخططات توسيع حدقة العين ثنائية الأبعاد. بالمقارنة، فإن المخطط الأول أبسط نسبيًا من حيث تصميم وتصنيع الدليل الموجي الحيود، ولكنه يشغل مساحة عدسة إجمالية أكبر. ومن ناحية أخرى، يتطلب المخطط الثاني استخدام شبكات ثنائية الأبعاد، وهي أكثر تعقيدًا في التصميم والتصنيع، مما يجعل تنفيذها أكثر صعوبة. ومع ذلك، يؤدي هذا النهج إلى بنية عامة أكثر إحكاما، مما يسمح بتقليل مساحة العدسة.

من خلال استخدام توسيع حدقة العين ثنائي الأبعاد، لا يمكننا فقط زيادة نطاق حركة العين وتعزيز انغماس المستخدم ولكن أيضًا تقليل وزن وأبعاد المحرك البصري في كلا الاتجاهين الأفقي والرأسي، مما يجعل نظارات الواقع المعزز أخف وزنًا وأكثر قدرة على التكيف.

من المهم أن نلاحظ أنه في حين أن توسع حدقة العين ثنائي الأبعاد يكرر الصورة عدة مرات، فإننا في الواقع نرى صورة واحدة فقط، وليس صورًا متعددة. وذلك لأن الصورة المنقولة عن طريق شبكة التوصيل ليست صورة حقيقية ولكنها صورة افتراضية. بالإضافة إلى ذلك، يميل الدماغ البشري إلى خداع نفسه باتباع خط الرؤية الممتد لأشعة الضوء التي يراها. تتوافق أشعة الضوء الناتجة عن توسع حدقة العين مع زوايا مختلفة لنفس الصورة الافتراضية، لذلك بغض النظر عن عدد المواضع المختلفة لأشعة الضوء الموسعة التي تراها العين، فإنها ستعود إلى نفس الصورة بناءً على خط الرؤية الممتد.

على سبيل المثال، يشبه ذلك مراقبة شمعة من خلال مرآة مستوية. ينعكس ضوء الشمعة عن المرآة ويدخل إلى العين، التي تبحث بعد ذلك عن الصورة الافتراضية بناءً على الخط الممتد لأشعة الضوء. يمكن فهم أشعة الضوء الثلاثة الموضحة في الرسم البياني على أنها أشعة ضوئية ممتدة في ثلاثة مواضع مختلفة في الدليل الموجي الحيود. كما هو موضح في الشكل، عندما نرى هذه الأشعة الضوئية الثلاثة في وقت واحد، فإنها تشير جميعها إلى الصورة نفسها.

بالإضافة إلى ذلك، هناك مفهوم خاطئ شائع مفاده أن الأدلة الموجية الحيادية لديها كفاءة منخفضة في استخدام الطاقة. في الواقع، ينشأ هذا الإدراك أثناء عملية تحقيق توسيع حدقة العين ثنائية الأبعاد، حيث يحتاج الدليل الموجي الحيود إلى تقسيم الطاقة الضوئية إلى أجزاء عديدة وتوزيعها بالتساوي عبر كل موضع خروج لحدقة العين. ونتيجة لذلك، تنخفض الطاقة لكل وحدة مساحة بشكل طبيعي. ومع ذلك، إذا قمنا بجمع كل الأشعة الضوئية من الدليل الموجي الحيود إلى العين، فسنجد أن كفاءة الطاقة في الواقع ليست منخفضة.

وبالتالي، فإن السبب الرئيسي لانخفاض كفاءة استخدام الطاقة في أدلة الموجات الحيادية هو توسع حدقة العين. ومع ذلك، يعد التوسيع سمة مهمة للأدلة الموجية الحيادية، وكما ذكرنا سابقًا، فإنه يوفر العديد من المزايا. لذلك، من الضروري زيادة كفاءة استخدام الطاقة إلى الحد الأقصى مع الحفاظ على مستوى معين من توسع حدقة العين.

02 ثلاثة اتجاهات تحسين رئيسية للأدلة الموجية الحيادية

1. تحسين كفاءة حيود الضوء

كما ذكرنا سابقًا، يرى الكثير من الناس أن الأدلة الموجية الحيادية لها كفاءة منخفضة في استخدام الطاقة. ولمعالجة هذه المشكلة، من الضروري تحسين كفاءة الطاقة عن طريق تحسين كفاءة حيود الضوء مع الحفاظ على مستوى معين من توسع حدقة العين.

نظرًا لأن الحجم المميز للشبكات النانوية يمكن مقارنته بالطول الموجي للضوء، فمن الضروري التعامل مع الضوء ليس كأشعة عادية ولكن كموجات كهرومغناطيسية أثناء الانتشار. عندما يضرب الضوء الشبكة، فإنه ينقسم إلى عدة اتجاهات مختلفة (أوامر الحيود)، وحتمًا يتم فقدان بعض الطاقة الضوئية في هذه العملية.

للتأكد من أن غالبية الطاقة الضوئية مقترنة بالدليل الموجي الحيود، نختار عادةً ترتيب حيود محدد غير صفري (يلبي شروط الانعكاس الداخلي الإجمالي) باعتباره ترتيب العمل للدليل الموجي الحيود. من خلال التحكم الدقيق في المعلمات مثل فترة الشبكة، ودورة التشغيل، وعمق الأخدود، وزاوية الجدار الجانبي، يمكننا تحسين كفاءة حيود الضوء، وتركيز معظم الطاقة الضوئية في ترتيب العمل هذا. وهذا بدوره يعزز كفاءة الطاقة ويسمح بزيادة سطوع الصورة.

2. تحسين كفاءة الحيود لزوايا الحادث المختلفة

هناك عامل مهم آخر يجب مراعاته عند تحسين الشبكة وهو تأثير زاوية سقوط الضوء على كفاءة الحيود.

وبما أن الصورة المسقطة بواسطة المحرك البصري تشكل سطحًا ضوئيًا، فإن الضوء من مواضع مختلفة على هذا السطح يدخل إلى الدليل الموجي الحيود بزوايا مختلفة. بالنسبة للأدلة الموجية الحيود، تؤدي زوايا الحادث المختلفة إلى كفاءات حيود مختلفة، مما يؤدي إلى عدم اتساق في السطوع الإجمالي للصورة.

لذلك، بالإضافة إلى تحسين كفاءة الحيود لترتيب حيود محدد، من الضروري أيضًا تحسين كفاءة الحيود للضوء عند زوايا مختلفة لضمان سطوع موحد.

3. تحسين كفاءة الحيود لأطوال موجية مختلفة

الألوان المختلفة للضوء لها أطوال موجية مختلفة، مما يؤثر على كفاءة حيودها. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي الأطوال الموجية المختلفة إلى زوايا حيود مختلفة، مما يعني أنه أثناء عملية توسيع حدقة العين، سيختلف أيضًا تردد التفاعل بين ألوان الضوء المختلفة مع شبكة الاقتران. هذان العاملان يجعلان من الصعب دخول كل لون من ألوان الضوء إلى العين بنسب طاقة متساوية، مما يؤدي إلى مشاكل في تجانس الألوان. وبالتالي، فإن تحقيق توحيد جيد للألوان في الصور باستخدام دليل موجي حيود أحادي الطبقة أمر صعب.

للتأكد من أن الضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة يخرج بنسب طاقة متساوية، عادةً ما يتم استخدام تكديس متعدد الطبقات (طبقتين أو أكثر) من أدلة الموجات الحيادية. تم تحسين كل طبقة من الدليل الموجي الحيود للتحكم في الطاقة وتعزيزها لنطاق محدد من الطول الموجي مع منع التداخل بين الطبقات أيضًا. يضمن هذا النهج أن الضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة يدخل في النهاية إلى العين بنسب طاقة متساوية، مما يحسن تجانس الألوان ويعرض صورًا طبيعية ونابضة بالحياة.

03 ملخص

من ناحية، للأدلة الموجية الحيادية وظيفتان أساسيتان: نقل الصورة متساوي القياس وتوسيع الحدقة ثنائي الأبعاد. واستنادًا إلى هذه الوظائف، فإنها تتيح لنظارات الواقع المعزز أن تكون خفيفة الوزن ونحيفة بينما تستوعب نطاقًا أوسع من المستخدمين، مما يوفر إحساسًا قويًا بالانغماس وتجربة بصرية ممتازة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكامل عمليات أشباه الموصلات يعزز قابلية تصنيع الأدلة الموجية الحيادية، مما يضع أساسًا متينًا لنظارات الواقع المعزز لدخول السوق الاستهلاكية.

من ناحية أخرى، باعتبارها تقنية العرض السائدة لنظارات الواقع المعزز، توفر الأدلة الموجية الحيادية إمكانات كبيرة ولكنها تمثل أيضًا تعقيدًا كبيرًا. يجب النظر في تحسين كفاءة الحيود من جوانب متعددة، بما في ذلك أوامر الحيود، وزوايا الحادث، والأطوال الموجية.

مع التقدم المستمر في التكنولوجيا ومواصلة تحسين الأداء، تستعد الأدلة الموجية الحيادية للواقع المعزز لجلب نظارات الواقع المعزز إلى المنازل، لتتألق بشكل مشرق في عصر التحول.