Jak funguje technologie difrakčního vlnovodu na displeji AR brýlí

V našem předchozím článku 'Co je AR difrakční vlnovod?' jsme vysvětlili základní principy difrakčních vlnovodů a zdůraznili rozdíly mezi vlnovody s povrchovou reliéfní mřížkou a vlnovody s objemovou holografickou mřížkou. Dnes se ponoříme hlouběji do základních funkcí a směrů optimalizace difrakčních vlnovodů a probereme, proč se difrakční vlnovody založené na povrchových reliéfních mřížkách objevují jako hlavní zobrazovací technologie pro brýle AR.

01 Základní funkce difrakčních vlnovodů

1. Izometrický přenos obrazu

Z našich dřívějších článků víme, že aby difrakční vlnovod nasměroval světlo vyzařované z mikroprojekčního systému (optického motoru) do lidského oka, musí podstoupit procesy spojování a spojování. Konkrétně světlo emitované optickým motorem vstupuje do plochého vlnovodu přes spojovací mřížku, šíří se v něm úplným vnitřním odrazem a nakonec je přenášeno do oka spojovací mřížkou.

Nejdůležitějším aspektem tohoto procesu je úplná vnitřní reflexe. Ale co přesně je totální vnitřní odraz?

K úplnému vnitřnímu odrazu dochází, když světlo prochází z prostředí s vyšším indexem lomu do prostředí s nižším indexem lomu a úhel dopadu je větší nebo roven kritickému úhlu. Když jsou splněny podmínky pro totální vnitřní odraz, světlo se bude nepřetržitě šířit plochým vlnovodem odrazem, aniž by bylo přenášeno ven, což umožňuje změnu směru světla. Známý přírodní jev vyplývající z totálního vnitřního odrazu je fata morgána.

Obvykle brýle pro AR vydávají obrázky pomocí optického modulu. Umístění optického motoru přímo na čočku by však bránilo uživateli ve výhledu a bylo by vizuálně nepřitažlivé. Spoléhat se pouze na optický engine by navíc nedosáhlo požadovaného efektu sloučení virtuálních a skutečných obrazů.

Díky využití principu úplného vnitřního odrazu mohou difrakční vlnovody provádět izometrický přenos obrazů promítaných optickým motorem, což umožňuje umístění optického motoru na horní nebo boční stranu brýlí. Tento přístup nejenže zamezuje překážkám v zorném poli uživatele, ale také díky vysoké rychlosti prostupu světla a tenkému profilu difrakčního vlnovodu přibližuje AR brýle svým vzhledem běžným brýlím a zároveň dosahuje požadovaného efektu integrace virtuální-reálné.

Je důležité poznamenat, že difrakční vlnovod je zodpovědný pouze za přenos obrazu do oka a neovlivňuje obsah samotného obrazu, což znamená, že nemá schopnost zvětšit nebo zmenšit velikost obrazu.

2. Dvourozměrné rozšíření zornice

Standardní optická zobrazovací řešení obvykle postrádají možnosti rozšíření zornice, což omezuje diváka, aby viděl obrazy pouze v rozsahu velikosti výstupní pupily optického motoru (tj. rozsahu pohybu očí). Pokud například výstupní pupila optického stroje měří φ5 mm, uživatel může sledovat obraz pouze v rozsahu φ5 mm. To je podobné pohledu na svět kukátkem, což výrazně snižuje pohlcení a vizuální zážitek.

K vyřešení tohoto problému mohou difrakční vlnovody dosáhnout dvourozměrného rozšíření zornice, zvětšení výstupní pupily při zachování kompaktní velikosti a širokého zorného pole. To účinně zvyšuje rozsah pohybu očí v obou směrech, poskytuje zvýšený pocit ponoření a vylepšený vizuální zážitek a zároveň se přizpůsobuje různým mezipupilárním vzdálenostem. To představuje druhou základní funkci difrakčních vlnovodů.

Obecně existují dva přístupy k implementaci dvourozměrného rozšíření zornice. První zahrnuje použití tří jednorozměrných mřížek (tj. spojovací mřížka, ohybová mřížka a spojovací mřížka). Druhý přístup využívá jednu jednorozměrnou mřížku (spojovací mřížku) a jednu dvourozměrnou mřížku (spojovací mřížku).

V prvním přístupu je světlo vyzařované z optického motoru připojeno do vlnovodu přes spojovací mřížku. Světlo pak podléhá úplnému vnitřnímu odrazu a dopadá na ohybovou mřížku, kde je část světla přesměrována na spojovací vnější mřížku, zatímco zbývající světlo se dále šíří vpřed odrazem. Toto světlo opět dopadne na ohýbací mřížku a další část bude přesměrována na spojovací ven mřížku. Tento proces se opakuje, aby se dosáhlo jednorozměrného rozšíření zornice.

Konečně světlo dopadající na vazební mřížku bude mít část z něj difraktovanou do oka, zatímco zbývající světlo se dále šíří dopředu odrazem a opět interaguje s vazební mřížkou. Tento proces má za následek další směr jednorozměrné expanze zornice. Když se tyto dvě jednorozměrné expanze zkombinují, vytvoří dvourozměrnou expanzi zornice.

Ve druhém přístupu proces také začíná připojením světla emitovaného z optického motoru do vlnovodu pomocí vazební mřížky. Světlo pak podléhá úplnému vnitřnímu odrazu a dopadá na dvourozměrnou vazební mřížku. V tomto bodě je část světla difraktována do oka, zatímco zbývající světlo je rozděleno a pokračuje v šíření dopředu odrazem v horizontálním i vertikálním směru.

Světlo pak bude opět interagovat se spojovací mřížkou, kde je další část difraktována do oka. Tento proces se opakuje, čímž se účinně dosáhne dvourozměrného rozšíření zornice.

Výše uvedené popisuje fyzikální procesy dvourozměrných schémat rozšíření zornice. Ve srovnání s tím je první schéma relativně jednodušší, pokud jde o konstrukci a výrobu difrakčního vlnovodu, ale zabírá více celkové plochy čočky. Druhé schéma na druhé straně vyžaduje použití dvourozměrných mřížek, které jsou složitější na design a výrobu, a proto je jejich implementace náročnější. Tento přístup však vede ke kompaktnější celkové struktuře, která umožňuje zmenšení plochy čočky.

Využitím dvourozměrného rozšíření zornice můžeme nejen zvýšit rozsah pohybu očí a zlepšit ponoření uživatele, ale také snížit hmotnost a rozměry optického modulu v horizontálním i vertikálním směru, díky čemuž jsou brýle pro AR lehčí a přizpůsobivější.

Je důležité poznamenat, že zatímco dvourozměrné rozšíření zornice replikuje obraz vícekrát, ve skutečnosti vnímáme pouze jeden obraz, nikoli více obrazů. Je to proto, že obraz přenášený spojovací mřížkou není skutečný obraz, ale virtuální. Lidský mozek má navíc tendenci klamat sám sebe tím, že sleduje prodlouženou linii pohledu světelných paprsků, které vidí. Světelné paprsky generované rozšířením zornice odpovídají různým úhlům stejného virtuálního obrazu, takže bez ohledu na to, kolik různých poloh rozšířených světelných paprsků oko vnímá, budou zpětně sledovat stejný obraz na základě prodloužené linie pohledu.

Je to například podobné pozorování svíčky přes rovinné zrcadlo. Světlo svíčky se odráží od zrcadla a vstupuje do oka, které pak hledá virtuální obraz na základě prodloužené linie světelných paprsků. Tři světelné paprsky zobrazené v diagramu lze chápat jako rozšířené světelné paprsky ve třech různých polohách v difrakčním vlnovodu. Jak je znázorněno na obrázku, když vidíme tyto tři světelné paprsky současně, všechny ukazují na stejný obraz.

Kromě toho existuje běžná mylná představa, že difrakční vlnovody mají nízkou energetickou účinnost. Ve skutečnosti tento vjem vzniká během procesu dosažení dvourozměrné expanze zornice, kde difrakční vlnovod potřebuje rozdělit světelnou energii do mnoha částí a distribuovat ji rovnoměrně přes každou polohu výstupní pupily. V důsledku toho se přirozeně snižuje energie na jednotku plochy. Pokud bychom však shromáždili všechny světelné paprsky z difrakčního vlnovodu do oka, zjistili bychom, že jeho energetická účinnost ve skutečnosti není nízká.

Primárním důvodem vnímané nízké energetické účinnosti difrakčních vlnovodů je tedy rozšíření zornice. Expanze je však významnou vlastností difrakčních vlnovodů a jak již bylo zmíněno, nabízí řadu výhod. Proto je nezbytné maximalizovat energetickou účinnost při zachování určité úrovně rozšíření zornic.

02 Tři hlavní optimalizační směry pro difrakční vlnovody

1. Optimalizace účinnosti difrakce světla

Jak již bylo zmíněno dříve, mnoho lidí vnímá, že difrakční vlnovody mají nízkou energetickou účinnost. K řešení tohoto problému je nutné zlepšit energetickou účinnost optimalizací difrakční účinnosti světla při zachování určité úrovně rozšíření zornice.

Vzhledem k tomu, že velikost rysů mřížek nanoměřítek je srovnatelná s vlnovou délkou světla, je nezbytné zacházet se světlem nikoli jako s obyčejnými paprsky, ale jako s elektromagnetickými vlnami během šíření. Když světlo dopadá na mřížku, je rozděleno do několika různých směrů (řádů difrakce) a nevyhnutelně se v procesu ztrácí část světelné energie.

Aby bylo zajištěno, že většina světelné energie je vázána do difrakčního vlnovodu, obvykle volíme specifické nenulové pořadí difrakce (které splňuje podmínky úplného vnitřního odrazu) jako pracovní řád difrakčního vlnovodu. Přesným řízením parametrů, jako je doba mřížky, pracovní cyklus, hloubka drážky a úhel boční stěny, můžeme optimalizovat difrakční účinnost světla a soustředit většinu světelné energie do tohoto pracovního řádu. To zase zvyšuje energetickou účinnost a umožňuje vyšší jas obrazu.

2. Optimalizace účinnosti difrakce pro různé úhly dopadu

Dalším důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu při optimalizaci mřížky, je vliv úhlu dopadu světla na účinnost difrakce.

Protože obraz promítaný optickým motorem tvoří světelný povrch, světlo z různých pozic na tomto povrchu vstupuje do difrakčního vlnovodu pod různými úhly. U difrakčních vlnovodů mají různé úhly dopadu za následek různé účinnosti difrakce, což vede k nekonzistenci v celkovém jasu obrazu.

Proto je kromě optimalizace účinnosti difrakce pro konkrétní řád difrakce také nezbytné optimalizovat účinnost difrakce pro světlo v různých úhlech dopadu, aby se zajistila jednotná jasnost.

3. Optimalizace účinnosti difrakce pro různé vlnové délky

Různé barvy světla mají různé vlnové délky, což ovlivňuje jejich difrakční účinnost. Kromě toho mají různé vlnové délky za následek různé difrakční úhly, což znamená, že během procesu rozšiřování zornice se bude také měnit frekvence interakce různých barev světla s vazební mřížkou. Tyto dva faktory způsobují, že pro každou barvu světla je obtížné vstoupit do oka se stejnými energetickými proporcemi, což má za následek problémy s jednotností barev. Dosažení dobré stejnoměrnosti barev v obrazech pomocí jednovrstvého difrakčního vlnovodu je tedy obtížné.

Aby se zajistilo, že světlo o různých vlnových délkách vystupuje se stejnými energetickými proporcemi, obvykle se používá vícevrstvé (dvě vrstvy nebo více) vrstvení difrakčních vlnovodů. Každá vrstva difrakčního vlnovodu je optimalizována tak, aby řídila a zvyšovala energii pro určitý rozsah vlnových délek a zároveň potlačovala přeslechy mezi vrstvami. Tento přístup zajišťuje, že světlo různých vlnových délek nakonec vstupuje do oka se stejnými energetickými proporcemi, čímž se zlepšuje jednotnost barev a zobrazuje se normální, živé obrazy.

03 Shrnutí

Na jedné straně mají difrakční vlnovody dvě základní funkce: izometrický přenos obrazu a dvourozměrné rozšíření zornice. Na základě těchto funkcí umožňují brýlím pro AR, aby byly lehké a tenké, a zároveň vyhovovaly širšímu spektru uživatelů, poskytovaly silný pocit ponoření a vynikající vizuální zážitek. Integrace polovodičových procesů navíc zvyšuje vyrobitelnost difrakčních vlnovodů a pokládá pevný základ pro AR brýle pro vstup na spotřebitelský trh.

Na druhou stranu, jako hlavní zobrazovací technologie pro brýle AR nabízejí difrakční vlnovody velký potenciál, ale také značnou složitost. Optimalizace účinnosti difrakce musí být zvažována z mnoha hledisek, včetně řádů difrakce, úhlů dopadu a vlnových délek.

S neustálým pokrokem v technologii a další optimalizací výkonu jsou AR difrakční vlnovody připraveny přinést AR brýle do domácností a jasně zazářit v éře metavesmíru.