الأدلة الموجية الضوئية: 'مسار الضوء' من الرقائق الضوئية إلى نظارات الواقع المعزز

في نظارات الواقع المعزز، يعد الدليل الموجي البصري مكونًا بصريًا أساسيًا يحدد تجربة العرض. فهو يقوم بتوجيه الصورة الناتجة عن المحرك البصري إلى العدسة وتوجيهها نحو عين المستخدم عبر بنية محددة، مع الحفاظ على شفافية العدسة للسماح للمستخدم بمشاهدة كل من العالم الحقيقي والمعلومات الافتراضية في وقت واحد.

لم تنشأ أدلة الموجات الضوئية مع ظهور الواقع المعزز. في مجالات مثل الرقائق الضوئية والاتصالات البصرية، تعتمد الأجهزة مثل المعدِّلات والكاشفات ومجزئات الشعاع أيضًا على أدلة الموجات لنقل الإشارات الضوئية. إذا كانت الوصلات المعدنية بمثابة مسارات للإشارات الكهربائية، فإن أدلة الموجات الضوئية تعمل كقنوات للإشارات الضوئية - والتمييز هو أن الضوء يعتمد على اختلافات معامل الانكسار والحدود الهندسية لتقييد مسار انتشاره.

بغض النظر عما إذا كانت أدلة موجية هندسية أو سطحية أو ثلاثية الأبعاد، فإن الهدف من أدلة الموجات الضوئية المستخدمة في نظارات الواقع المعزز هو توجيه الضوء إلى العين البشرية على طول مسار مصمم.

جوهر الدليل الموجي: تصميم مسار يمكن التحكم فيه للضوء

تتمثل الوظيفة الأساسية للدليل الموجي البصري في حصر انتشار الضوء في منطقة معينة.

في الرقائق الضوئية، يمكن تصنيع الأدلة الموجية من مواد مثل السيليكون، أو نيتريد السيليكون، أو InP، أو نيوبات الليثيوم؛ في نظارات الواقع المعزز، تتكون الأدلة الموجية الضوئية عادةً من زجاج أو راتينج عالي الانكسار، على الرغم من أنه في السنوات الأخيرة، بدأ أيضًا استخدام كربيد السيليكون (SiC) كمادة ركيزة لأدلة الموجات الضوئية الحيادية، وذلك باستخدام حواجز شبكية أو هياكل عاكسة لتحقيق اقتران الضوء الداخلي والخارجي.

لا يتحكم الدليل الموجي في المسار البصري فحسب، بل يتحكم أيضًا في توزيع مجال الضوء، حيث يحدد مكان انتشار الضوء، وكيفية إعادة توجيهه وتقسيمه، وكيف يدخل في النهاية إلى العين البشرية.

يجب أن يحقق الدليل الموجي الممتاز خسارة منخفضة وكفاءة اقتران عالية وانتظامًا جيدًا في نفس الوقت، بينما يكون أيضًا مناسبًا للإنتاج الضخم.

كيف تحصر الأدلة الموجية الضوء: الانعكاس الداخلي الكلي والأوضاع

تحصر أدلة الموجات الضوئية انتشار الضوء عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي.

عندما ينتقل الضوء من مادة ذات معامل انكسار مرتفع نحو مادة ذات معامل انكسار منخفض وتتجاوز زاوية السقوط الزاوية الحرجة، ينعكس الضوء تمامًا مرة أخرى إلى المادة ذات معامل الانكسار العالي. تشكل هذه الظاهرة أساس الأدلة الموجية.

يؤدي تباين معامل الانكسار الأكبر إلى تقييد المجال البصري بشكل أقوى، مما يسمح بأدلة موجية أصغر. ومع ذلك، فإن الحبس القوي المفرط يجعل الدليل الموجي أكثر حساسية لعيوب التصنيع ويزيد من خسائر التشتت.

ومن الجدير بالذكر أن معامل الانكسار يحدد بشكل مباشر الحد الأعلى لمجال الرؤية (FOV) لنظارات الواقع المعزز. تعمل زيادة معامل الانكسار لمادة الدليل الموجي على توسيع نطاق زوايا انتشار الضوء المدعومة، وبالتالي خلق إمكانية التصميمات ذات مجال رؤية أوسع. على سبيل المثال، تكون المواد ذات معامل الانكسار العالي أكثر ملاءمة بشكل عام لتحقيق أنظمة الدليل الموجي ذات مجال الرؤية الكبير؛ وهذا هو السبب الرئيسي وراء جذب كربيد السيليكون (SiC، الذي يبلغ معامل انكساره حوالي 2.6) اهتمامًا كبيرًا.

لا ينتشر الضوء بشكل تعسفي داخل الدليل الموجي. ببساطة، لا يمكن لكل شعاع ضوئي يدخل إلى الدليل الموجي أن ينتشر بشكل ثابت؛ فقط توزيعات المجال الكهرومغناطيسي التي تلبي شروط حدودية محددة هي التي يمكنها السفر لمسافات طويلة. تُعرف هذه الحالات المستقرة باسم 'الأوضاع'. تمتلك أوضاع الانتشار المختلفة توزيعات متميزة للمجال الكهربائي وثوابت انتشار. نظرًا لأن مشكلات الحديث المتبادل أو التوحيد يمكن أن تنشأ بين أوضاع متعددة، فإن التحكم في الوضع يعد عاملاً حاسمًا في تصميم الدليل الموجي للواقع المعزز.

في شاشات الواقع المعزز، يؤثر التحكم في الوضع بشكل مباشر على توحيد السطوع وأداء الألوان.

أين تحدث الخسائر البصرية في الدليل الموجي؟

تظهر أدلة الموجات الحقيقية حتما خسائر، في المقام الأول من أربعة أنواع:

1. امتصاص المواد: فقدان الطاقة الضوئية الناتج عن خصائص الامتصاص والشوائب الكامنة في المادة.

2. فقدان التشتت: تشتت الضوء الناتج عن خشونة الجدار الجانبي وانحرافات الأبعاد أثناء عملية التصنيع. تؤثر معلمات التصنيع الدقيقة والنانوية - مثل فترة الشبك، وعمق الحفر، وخشونة الجدار الجانبي في أدلة موجة الواقع المعزز - بشكل مباشر على كفاءة الحيود، والتوحيد، وأداء الألوان.

3. فقدان الانحناء: عندما يكون نصف قطر الانحناء صغيرًا جدًا، يشع بعض الضوء إلى الخارج.

4. خسارة الاقتران: تحدث الخسائر بسبب عدم التطابق في حجم الوضع أو الزاوية أو حالة الاستقطاب عندما ينتقل الضوء من بنية إلى أخرى (على سبيل المثال، المحرك البصري إلى الدليل الموجي، أو الدليل الموجي إلى بنية الاقتران الخارجي).

أحد مفاتيح تحسين الكفاءة البصرية لنظارات الواقع المعزز هو تقليل الخسائر عبر المسار البصري بأكمله: من المحرك الخفيف وحتى الاقتران والانتشار والاقتران الخارجي إلى العين البشرية.

تسهيل الدخول والخروج السلس للضوء داخل وخارج الدليل الموجي: الاقتران والاقتران الخارجي

في الأدلة الموجية الضوئية للواقع المعزز، يعد اقتران الضوء وإقرانه من التقنيات الأساسية:

1. تستخدم أدلة الموجات الضوئية الحيادية الشبكات لتغيير اتجاه الضوء.

2. تستخدم أدلة الموجات الضوئية الهندسية هياكل عاكسة لإعادة توجيه المسار البصري.

3. تستخدم الأدلة الموجية الضوئية الثلاثية الأبعاد عناصر ثلاثية الأبعاد للتحكم في انتشار الضوء.

يكمن جوهر هذه التقنيات في تمكين تحويل الوضع عالي الكفاءة للضوء.

معايير تقييم هندسة الدليل الموجي

يتطلب تقييم صلاحية الدليل الموجي إجراء تقييم شامل للعوامل التالية:

1. خسارة الانتشار: توهين القدرة البصرية لكل وحدة طول.

2. كفاءة الاقتران: كفاءة الضوء الداخل والخارج من النظام، والتي تؤثر بشكل مباشر على السطوع الذي تدركه العين.

3. خسارة الانحناء: تقييم الاستقرار البصري لبنية الدليل الموجي في التصميمات التي تتميز بمقاطع رفيعة أو أسطح منحنية.

4. التحكم في الوضع والاستقطاب: العوامل التي تؤثر على انتظام العرض وأداء الألوان واستقرار النظام، والتي يجب أخذها في الاعتبار جنبًا إلى جنب مع تصميم الدليل الموجي.

5. تفاوتات التصنيع: إمكانية التحكم في عوامل مثل أخطاء الطباعة الحجرية، وانحرافات النقش، والتغيرات في سمك الفيلم.

ختاماً

سواء في الرقائق الضوئية أو شاشات الواقع المعزز، فإن وظيفة أدلة الموجات الضوئية هي التحكم في مسار انتشار الضوء.

مع التطور المستمر لمختلف الأساليب التقنية - مثل أدلة الموجات الضوئية الهندسية، وشبكات تخفيف السطح، وأدلة الموجات الثلاثية الأبعاد - وانتقال مواد جديدة مثل كربيد السيليكون من المختبر إلى التطبيقات الهندسية، تدخل تكنولوجيا الدليل الموجي البصري مرحلة جديدة من المنافسة. تنتقل هذه المرحلة إلى ما هو أبعد من السعي الوحيد للأداء البصري إلى مسابقة شاملة تتضمن الأداء والتكلفة والإنتاج وقدرات التصنيع بكميات كبيرة.

المصدر: تم إعداده بواسطة Pingsheng Semiconductor وAibang Zhizao