Nový přístup k AR vlnovodům: Zónování založené na polarizaci zvyšuje rovnoměrnost jasu prototypu na 70 %

Vlnovody v AR brýlích vyžadují určitou rezervu pro pohyb očí – koncept známý jako 'oční schránka'. Větší oční schránka však znamená, že promítané světlo je distribuováno do širší oblasti, zatímco zornice uživatele zachycuje pouze jeho malou část. Pouhé zvýšení výkonu lehkého motoru by vedlo k vyšší spotřebě energie a většímu tepelnému zatížení. Je možné zachovat funkční dosah očního boxu a zároveň osvětlit pouze konkrétní oblast, která je v daném okamžiku skutečně potřebná?

Článek Nilsena a kol., publikovaný v Advanced Photonics Research v roce 2026, navrhuje specifický přístup: rozdělení oblasti extrakce výstupní zornice na zóny, které reagují na různé stavy kruhové polarizace, a použití vstupní polarizace k výběru, která zóna je aktivní. Namísto současného osvětlení celého velkého očního boxu tato metoda využívá 'přepínatelné, menší oční boxy' k pokrytí většího, použitelného rozsahu.

Kde dochází ke ztrátám při tradiční expanzi výstupní zornice?

V systémech blízkého oka (NED) vlnovod obvykle přijímá obraz z optického motoru přes vstupní vazební člen. Světlo se poté šíří vlnovodem prostřednictvím úplného vnitřního odrazu (TIR), než je směrováno k oku uživatele výstupním vazebním členem. Aby bylo zajištěno, že celé zorné pole zůstane viditelné i při změně polohy oka, musí výstupní spojka replikovat výstupní pupilu na větší ploše. Problém je v tom, že pokaždé, když světelný paprsek interaguje s výstupním vazebním členem, může být extrahována část jeho energie. V důsledku toho, jak se světlo šíří, zůstává k dispozici méně energie pro následující sekce výstupního propojovacího členu, což může vést ke znatelnému gradientu jasu napříč očním boxem.

Tento článek zkoumá polarizační objemové mřížky (PVG) používané jako výstupní spojky. PVG vykazují selektivitu založenou na ovladatelnosti kruhově polarizovaného světla. Autoři rozdělili to, co by jinak bylo jedinou vnější oblastí – pokrývající celý rozsah oční schránky – na dva stejně dlouhé segmenty: jeden reaguje na levo-kruhově polarizované (LCP) světlo a druhý na pravo-kruhově polarizované (RCP) světlo. Přepnutím vstupní polarizace je světlo směrováno po specifických vstupních a výstupních spojovacích drahách a osvětluje pouze vybranou poloviční oblast.

Je důležité rozlišovat mezi dvěma pojmy, které lze snadno zaměnit: celkový adresovatelný rozsah a oblast osvětlená v daném okamžiku. Zatímco oba segmenty dohromady pokrývají původní délku očního boxu, je aktivní vždy pouze jeden segment. U praktického produktu by umožnění osvětlené oblasti sledování zornice vyžadovalo technologii sledování očí v kombinaci s elektronicky řízeným přepínáním polarizace. Prototyp prezentovaný v článku takový systém s uzavřenou smyčkou nezahrnuje; místo toho spoléhá na lineární polarizátor a čtvrtvlnnou desku pro manuální přepínání polarizace.

Jak ověřit výzkumnou práci?

Autoři nejprve pomocí OpticStudia porovnali konstrukci odpojovače v plné délce s dvouzónovým provedením. Počáteční simulace využívala kolimovaný obdélníkový paprsek o délce 550 nm, vlnovod o délce 55 mm a tloušťce 1 mm (index lomu 1,8) a výstupní vazební člen s periodou 400 nm; celková plocha dvouzónové výsuvné spojky byla shodná s plnohodnotnou verzí. Jednotnost očního boxu pro středový paprsek zorného pole se zlepšila z 35,8 % na 69,4 %. V tomto článku je uniformita definována jako poměr minimální intenzity k maximální intenzitě ve vzorkované oblasti, vyjádřený v procentech; nereprezentuje celkovou optickou účinnost systému.

Následně autoři vyrobili dvouzónový prototyp a porovnali jej s 15 mm dlouhým výsuvným spojem po celé délce. Dvouzónový design se skládal ze dvou 7,5 mm dlouhých částí, z nichž každá reagovala na opačnou kruhovou polarizaci. Testování s laserem 532 nm při normálním dopadu ukázalo, že u vzorků s nižší difrakční účinností se uniformita zlepšila ze 44,0 % na 70,1 %, s celkovými výkony 9,11 μW a 9,85 μW, v tomto pořadí, měřeno přes otvor přibližně 6 mm × 15 mm. I když tyto výsledky podporují tvrzení, že 'rozdělení zlepšuje jednotnost', hodnoty celkového výkonu pro dva typy vzorků jsou pouze srovnatelné; proto by bylo nepřesné tvrdit, že zdvojnásobení jasu bylo experimentálně ověřeno.

Autoři také upravili materiálové složení tekutých krystalů, čímž se zvýšila difrakční účinnost výstupních mřížek z přibližně 60,5 % na 74 %. Pro odpovídající vzorky s plnou délkou a dvouzónové vzorky byly hodnoty uniformity 15,9 % a 38,8 %, zatímco naměřený celkový výkon v oční skříni byl 10,52 μW a 11,01 μW. Zvýšení výstupního poměru způsobí, že větší část světla opustí vlnovod dříve; v důsledku toho se zvýšení celkového výkonu může shodovat se snížením prostorové uniformity. Dvouzónový přístup tento kompromis zmírňuje, i když jej zcela neodstraňuje. Článek také představuje návrh a simulaci čtyřzónového, dvourozměrného systému expanze výstupní zornice; v samostatném modelu využívajícím kolimované světlo 532 nm se jednotnost zlepšila z 19,2 % na 51,2 %. Vzhledem k tomu, že čtyřzónová konfigurace nebyla experimentálně ověřena, nelze tento údaj postavit na stejnou důkazní úroveň jako naměřené výsledky z výše zmíněného dvouzónového prototypu.

Jas a Eye-box: Více než jeden faktor zvětšení

Autor používá zjednodušený jednorozměrný model pro ilustraci potenciálu: za předpokladu 20% účinnosti out-coupling na interakci – s 10 interakcemi vyskytujícími se v oblasti plné délky out-coupling versus 5 v oblasti poloviční délky – vypočítaná uniformita je přibližně 41 % pro oblast poloviční délky a 13 % pro oblast plné délky. Dalším zvýšením účinnosti výstupní vazby oblasti poloviční délky je teoreticky možné získat celkový výkon srovnatelný s výkonem oblasti plné délky z menší osvětlené oblasti, což má za následek téměř dvojnásobnou intenzitu místního světla.

Toto 'dvojnásobné' zvýšení však představuje horní hranici odvozenou z idealizovaného modelu, spíše než empiricky změřený zisk jasu pro fyzický prototyp. Ve skutečnosti se účinnost PVG (Polarization Volume Grating) mění s vlnovou délkou, úhlem a stavem polarizace; navíc polarizační drift během šíření a ztráty na rozhraních mezi vrstvami mohou také změnit výsledek. Ještě důležitější je, že pokud je vybrána menší oblast, systém se musí dynamicky přepínat, pokud se oko uživatele posune směrem k hranici nebo do jiné oblasti; jsou-li obě oblasti osvětleny současně, je třeba mezi ně přerozdělit dostupný výkon. V důsledku toho je třeba chápat tvrzení o 'rozšířeném' očním rámečku a 'vylepšeném' jasu – jak naznačuje název článku – spíše jako dvě odlišné možnosti designu, které architektura nabízí, než jako výhody, kterých lze dosáhnout současně a bezpodmínečně.

Co je ještě potřeba k tomu, aby se z toho staly brýle?

Pro návrháře systémů hodnota tohoto článku nespočívá pouze v použití jiného typu mřížky, ale také v posunu přístupu k rozšíření výstupní zornice: přechod od 'pasivního osvětlení celé oblasti' k 'distribuci světla na základě polohy zornice.' To také přináší nové technické výzvy:

1. Sledování očí v uzavřené smyčce

Je nutné ověřit přesnost sledování, latenci zapojenou do přepínání polarizace a kontinuitu obrazu, když se oko pohybuje přes různé zóny. Prototyp prezentovaný v článku ještě neověřil tento systém s uzavřenou smyčkou.

2. Hranice a přeslechy

Hranice mezi zónami mohou zkrátit zorné pole (FOV), zatímco nezamýšlené spojující cesty mohou vést k zobrazení 'duchů' (rozptýlené světlo) v nevybraných oblastech. Přestože článek představuje fotografie těchto duchů, neposkytuje toleranční rozpočet, který by mohl být přímo aplikován na design hromadné výroby.

3. Plnobarevné a široké zorné pole

Experimenty jsou primárně založeny na monochromatickém uspořádání 532 nm. Dosažení plnobarevného výkonu vyžaduje řešení charakteristik rozptylu a úhlové odezvy polarizačních objemových mřížek (PVG) a geometrických fázových deflektorů používaných ve čtyřzónovém designu. Autoři také poznamenávají, že zvýšení počtu zón může mít za následek zkrácení FOV nebo optické přeslechy.

4. Vícevrstvá výroba a zarovnání

Dvouzónový prototyp se skládá ze dvou vlnovodů s odlišnými polarizačními odezvami, spojených dohromady vzduchovou mezerou mezi nimi. S rostoucím počtem zón se prostorové vztahy mezi spojkami, skládacími spojkami a odpojovači stávají podstatně složitějšími; jakékoli nesprávné zarovnání může způsobit relativní posunutí mezi obrazy vytvořenými různými zónami.

Spolehlivým závěrem této práce je tedy to, že za specifických monochromatických podmínek, konfigurace prototypu a parametrů měření uvedených v článku polarizační selektivní zónování výrazně zlepšuje rovnoměrnost jasu očního boxu; navíc čtyřzónové dvourozměrné schéma nabízí potenciál pro ještě větší rozšíření. Pokud je cílem nositelný, plně barevný AR systém, musí být v rámci komplexního rámce specifikace na úrovni systému vyhodnoceny také další faktory, jako je optická účinnost, zorné pole, latence pohybu na foton, přeslechy a montážní tolerance.

Co to znamená pro lehké brýle s umělou inteligencí?

Hodnota tohoto přístupu 'zónového out-coupling' spočívá především v nabídce nových technických možností pro distribuci optického výstupu ve vlnovodech, spíše než v poskytování plně barevného řešení připraveného k výrobě. Ve společnosti SOTECH při hodnocení technologií zobrazování na blízko posuzujeme také jejich schopnost poskytovat hmatatelné výhody v reálných scénářích použití – jako je čitelnost za jasného venkovního světla, spotřeba energie a generování tepla při dlouhodobém nošení, uniformita očního boxu a jemná rovnováha mezi celkovou hmotností zařízení a pohodlím nositele.

U lehkých brýlí s umělou inteligencí, jako jsou tyto, SOTECH G55, je současný důraz kladen na synergii mezi vyspělou vlnovodnou optikou, Micro-LED displeji a integrovaným konstrukčním designem. To zajišťuje, že informace – jako jsou titulky, navigační výzvy nebo text dálkového ovladače – zůstanou jasné a stabilní během každodenního používání, aniž by bránily přirozenému zornému poli uživatele. Vzhledem k tomu, že technologie, jako je sledování očí, přepínání polarizace a zónová vnější vazba, stále dospívají, podobné přístupy by mohly pomoci takovým zařízením dosáhnout jemnější rovnováhy mezi jasem, energetickou účinností a kvalitou zážitku z očního boxu.