ما هو الدليل الموجي الحيود AR؟

يعد الدليل الموجي الحيود أحد حلول العرض البصري السائدة لنظارات الواقع المعزز. تعتمد العديد من أجهزة الواقع المعزز هذه التقنية. لماذا يعشق كبار مصنعي أجهزة الواقع المعزز أدلة الموجات الحيادية؟ ما هو بالضبط الدليل الموجي الحيود؟

01 تعريف الدليل الموجي الحيود

للحصول على فهم أعمق، يمكننا تقسيم مصطلح 'الدليل الموجي الحيود' إلى قسمين: الحيود والدليل الموجي.

عادةً، نحن نعلم أن الضوء يمكن أن ينتشر بثلاث طرق: الانتشار في خط مستقيم، والانعكاس، والانكسار. على سبيل المثال، تعتمد مشاهد الأشعة تحت الحمراء، والمناظير، والطريقة التي تبدو بها القشة عند وضعها في الماء على هذه المبادئ الثلاثة. ومن ناحية أخرى، فإن الحيود هو الطريقة الرابعة التي ينتشر بها الضوء.

في القرن السابع عشر، اكتشف أستاذ الرياضيات الإيطالي فرانشيسكو جريمالدي وصاغ مصطلح 'الحيود'، والذي يأتي من الكلمة اللاتينية 'difrangere'، والتي تعني 'التكسير إلى أجزاء'. يشير هذا إلى الاتجاه الأصلي لانتشار الموجة 'المكسور' والمنحني في اتجاهات مختلفة.

في تجاربه، مرر شعاعًا من الضوء عبر فتحتين صغيرتين وعلى شاشة في غرفة مظلمة، ولاحظ نمطًا من الخطوط الفاتحة والداكنة عند حواف جهاز العرض. لذلك، يشير الحيود إلى الظاهرة الفيزيائية التي يتغير فيها اتجاه انتشار الموجة عند مواجهة عوائق أو شقوق.

نظرًا لحقيقة أنه لا يمكن ملاحظة تأثيرات الحيود الملحوظة إلا عندما يكون حجم العائق أو عرض الشق مشابهًا للطول الموجي للموجة أو أصغر منه، فغالبًا ما يكون من الصعب رؤية حيود الضوء في حياتنا اليومية. ومع ذلك، في ظل ظروف خاصة معينة، يمكننا أن نلاحظ ذلك. على سبيل المثال، ظاهرة 'المجد' التي تظهر في السماء، والتي تظهر على شكل هالة ملونة حول الظلال، هي نتيجة لتشتت ضوء الشمس من خلال قطرات الماء الصغيرة وبلورات الجليد في السحب.

بعد مناقشة الحيود، ما هو بالضبط الدليل الموجي؟

توجد في عالمنا أنواع مختلفة من الموجات، بما في ذلك الموجات الضوئية، والموجات الصوتية، والموجات الكهرومغناطيسية.

الدليل الموجي هو جهاز ينقل هذه الموجات من مكان إلى آخر. وبالتالي، فإن الدليل الموجي للضوء هو وسيلة أو جهاز يوجه موجات الضوء أثناء انتشارها.

من خلال فهم كل من الحيود والأدلة الموجية، يمكننا تعريف الدليل الموجي الحيود: ببساطة، هو وسيط يستخدم حيود الضوء لتوجيه موجات الضوء أثناء انتقالها.

الدليل الموجي الحيود

لمزيد من التوضيح، تم تصميم الدليل الموجي الحيود للاستفادة من خصائص الحيود للشبكات لإنشاء 'مسار ضوئي'، مما يسمح للضوء بالانتشار على طول طريق محدد مسبقًا وتوجيه الضوء المنبعث من نظام الإسقاط الدقيق إلى العين البشرية.

المحزوز الحيود، وهو عنصر بصري ذو بنية دورية، هو المكون الأساسي للدليل الموجي الحيود. استنادًا إلى نوع الشبكات المستخدمة، يمكن تصنيف أدلة الموجات الحيودية إلى نوعين: أدلة موجية لشبكات تخفيف السطح وأدلة موجية لشبكات الحجم المجسمة.

02 الدليل الموجي لشبك تخفيف السطح

يتم إنشاء شبكات الإغاثة السطحية عن طريق 'نحت' القمم العالية والوديان المنخفضة على سطح المادة من خلال عمليات مثل الطباعة الحجرية الضوئية والحفر. تحقق تقنية التصنيع هذه بنية دورية تلبي الأداء البصري المطلوب.

تتعامل هذه الشبكات مع الضوء الذي يتفاعل معها، مما يسمح بالحيود الفعال وتوجيه الضوء داخل الدليل الموجي. تُستخدم شبكات تخفيف السطح على نطاق واسع نظرًا لبساطتها في التصنيع وقدرتها على الاندماج في الأنظمة البصرية المختلفة.

صورة SEM لشبكة الإغاثة السطحية

الدليل الموجي لشبكة الإغاثة السطحية لتوجيه الضوء المنبعث من نظام الإسقاط الصغير (المحرك البصري) إلى العين البشرية، يجب أن يمر الضوء من خلال عمليات الاقتران للداخل والاقتران للخارج. على وجه التحديد، يدخل الضوء المنبعث من المحرك البصري إلى الدليل الموجي من خلال شبكة الإدخال، وينتشر من خلال الانعكاس الداخلي الكلي داخل الدليل الموجي المسطح، ويتم نقله أخيرًا إلى العين البشرية عن طريق شبكة الإخراج. شبكات الإدخال والإخراج المستخدمة هنا هي شبكات تخفيف السطح.

نظرًا لأن خصائص المقياس النانوي للشبكة قابلة للمقارنة مع الطول الموجي للضوء، فلا ينبغي اعتبار الضوء كأشعة عادية بل يجب معاملته على أنه موجات كهرومغناطيسية. عندما يضرب الضوء الشبكة، فإنه يخضع لحيود متعدد الترتيب.

على سبيل المثال، إذا كان المحرك البصري يصدر ضوءًا أحادي اللون (مثل الضوء الأخضر)، فسيتم تقسيم هذا الضوء إلى عدة حزم تنتقل في اتجاهات مختلفة (أوامر الحيود) عند الاصطدام بشبكة الإدخال. أحد أوامر الحيود غير الصفرية هذه (على سبيل المثال، ترتيب +1) سوف يلبي حالة الانعكاس الداخلي الإجمالي للدليل الموجي المسطح، مما يسمح له بالدخول والانتشار عبر الدليل الموجي عبر الانعكاس الداخلي الكلي. يُشار إلى ترتيب الحيود المحدد هذا باسم ترتيب عمل الدليل الموجي الحيود. من خلال التحكم الدقيق في المعلمات مثل الفترة، ودورة العمل، وعمق الأخدود، وزاوية الجدار الجانبي للشبكة، يمكن تركيز غالبية الطاقة الضوئية في ترتيب عمل الدليل الموجي الحيود، مما يؤدي بشكل فعال إلى دمج معظم الطاقة الضوئية في الدليل الموجي. تُعرف هذه العملية باسم عملية الاقتران للدليل الموجي الحيود.

في المقابل، عندما يواجه الضوء الذي ينتشر من خلال الانعكاس الداخلي الكلي داخل الدليل الموجي الحيود محزوز الخرج، فإنه سينتج أيضًا عدة أوامر حيود. أحد هذه الأوامر غير الصفرية سيخرج من الدليل الموجي الحيود في اتجاه محدد، ثم يدخل بعد ذلك إلى العين البشرية. يُعرف هذا بعملية الاقتران للدليل الموجي الحيود.

إذا قام المحرك البصري بإصدار ضوء ملون، بالإضافة إلى العمليات المذكورة أعلاه، ستكون هناك تعقيدات أخرى. ونظرًا لاختلاف الأطوال الموجية لألوان الضوء المختلفة، فإن كفاءة حيودها ستختلف أيضًا. وبالتالي، أثناء الانتشار، قد يتم فقدان طاقة كل لون من ألوان الضوء بدرجات متفاوتة، مما يؤدي إلى التشتت. من خلال تحسين معلمات الشبكة المختلفة، يمكن للشبكة التحكم بدقة في طاقة الأطوال الموجية المختلفة للضوء، وبالتالي تقليل مشكلات التشتت والسماح لنا في النهاية برؤية الصور بألوان دقيقة.

لمعالجة المشكلات المعقدة المتعلقة بحيود الشبكات، قامت الشركة بتطوير مجموعة شاملة من برامج الحساب لأنواع مختلفة من الشبكات، استنادًا إلى طريقة فورييه النموذجية (FMM)، والتي يمكنها حساب مشكلات الحيود المتعلقة بالشبكات بسرعة ودقة.

علاوة على ذلك، تمتلك الشركة مركز معالجة رئيسي مجهز بالكامل ونظام إنتاج ضخم كامل للأدلة الموجية الحيادية، مما يحقق التنسيق الوثيق بين التصميم والتصنيع. عند تصميم الشبكات، يمكن مراعاة قدرات المعالجة للسيد وتقنيات الإنتاج، مما يسمح بإجراء التعديلات والتحسينات في الوقت المناسب عند ظهور المشكلات، مما يؤدي إلى دورة تكرار سريعة للمنتج.

يشير الدليل الموجي الحيود، والذي يفضله بشدة كبار مصنعي أجهزة الواقع المعزز، على وجه التحديد إلى الدليل الموجي لشبكة تخفيف السطح. وتشمل مزاياها تصميمًا نحيفًا، ومجال رؤية واسعًا، ونطاقًا واسعًا لحركة العين، وانخفاض تكاليف الإنتاج الضخم، مما يجعلها تعتبر على نطاق واسع طريق تكنولوجيا العرض السائد في صناعة الواقع المعزز.

03 حجم الدليل الموجي لشبك المجسم

إن عملية انتشار الضوء في الدليل الموجي الشبكي المجسم الحجمي تشبه بشكل أساسي تلك الموجودة في الدليل الموجي الشبكي المسطح.

يكمن الاختلاف الرئيسي في كيفية إنشاء الشبكة الثلاثية الأبعاد للحجم. بدلاً من 'نحتها'، يتم تشكيل الشبكة الثلاثية الأبعاد من خلال تعريض فيلم مقاوم للضوء على ركيزة لأنماط التداخل الناتجة عن شعاعين متماسكين من الضوء. تولد هذه العملية توزيعًا مكانيًا دوريًا بمؤشرات انكسار متفاوتة على المستوى الجزيئي. تعمل الشبكات الثلاثية الأبعاد عادةً في ظل ظروف حيود براغ.

ما هي شروط حيود براغ؟

في عام 1912، اكتشف العالم الألماني ماكس فون لاو ظاهرة حيود الأشعة السينية في البلورات، مما وضع الأساس لدراسة فيزياء حيود الأشعة السينية. في نفس العام، خلص لورانس براج، من خلال الدراسات المتكررة في مختبر كافنديش، إلى أن هذه الظاهرة هي نوع من تأثير حيود الموجة.

في عام 1913، اقترح لورانس براج ووالده هنري براج بشكل مشترك شكل براج لحيود الأشعة السينية (المعروف باسم حيود براج). ووجدوا أنه عندما تدخل موجات الجسيمات دون الذرية إلى بلورة، إذا كان الطول الموجي لموجات الجسيمات قريبًا من المسافة بين الذرات في البلورة، فإن موجات الجسيمات سوف تتشتت بواسطة الذرات بطريقة تشبه المرآة. سيؤدي هذا التشتت إلى تداخل بناء وفقًا لقانون براج، مما يؤدي إلى تشكيل قمم مركزة للموجات (تُعرف باسم قمم براج). شروط براغ هي المعايير التي يجب استيفاؤها لحدوث التداخل البناء.

رسم تخطيطي لحيود براغ

استنادًا إلى مبدأ حيود Bragg، عندما تستوفي موجات الضوء شروط Bragg، يمكن للشبكات ثلاثية الأبعاد ذات الحجم تحقيق كفاءة حيود عالية جدًا. ومع ذلك، تفرض شروط براغ متطلبات صارمة على زاوية الضوء الساقط وطوله الموجي. إذا لم يتم استيفاء هذه الشروط، يمكن أن تنخفض كفاءة الحيود بسرعة. وينتج عن ذلك صعوبة في الحصول على أدلة موجية ثلاثية الأبعاد للحجم لتحقيق تجانس جيد للألوان، وهو ما يفشل في تلبية متطلبات السوق.

في الوقت الحالي، تُظهر الأدلة الموجية لشبكات ثلاثية الأبعاد فجوات كبيرة مقارنةً بالأدلة الموجية لشبكات الإغاثة السطحية من حيث أداء العرض وتسويق المنتجات والدعم الصناعي.

04 ملخص

تستخدم أدلة الموجات الحيودية AR خصائص الحيود للشبكات لتصميم 'مسارات الضوء'، مما يسمح بتوجيه الضوء المنبعث من أنظمة الإسقاط الصغير إلى العين البشرية. استنادًا إلى نوع محزوز الحيود المستخدم، يمكن تصنيف أدلة موجية الحيود إلى أدلة موجية لشبك الحيود السطحي وأدلة موجية لشبك الحيود الحجمي.

توفر الأدلة الموجية لشبكات الإغاثة السطحية مزايا مثل كونها خفيفة الوزن، ولها مجال رؤية كبير، ونطاق واسع لحركة العين، وانخفاض تكاليف الإنتاج الضخم. وبالتالي، يُنظر إليها على نطاق واسع على أنها تقنية العرض السائدة في صناعة الواقع المعزز. في حين أن الأدلة الموجية لشبكات الحجم المجسمة تظهر كفاءة حيود عالية جدًا، إلا أنها تعاني من توحيد الألوان بسبب ظروف حيود Bragg الصارمة ولا تزال في المراحل الأولى من تطوير التكنولوجيا، مما يتطلب تطورات كبيرة لتحقيق اختراقات.

مع التقدم التكنولوجي المستمر والتحسينات في المعالجة، بدأت الأدلة الموجية الحيادية للواقع المعزز المستندة إلى شبكات الإغاثة السطحية في دخول السوق الاستهلاكية. ومن المعتقد أنهم سيوفرون في المستقبل تجارب عرض استثنائية للواقع المعزز لمزيد من الشركات المصنعة لأجهزة الواقع المعزز.