Co je AR difrakční vlnovod?

Difrakční vlnovod je běžné řešení optického zobrazení pro brýle AR. Tuto technologii využívá mnoho zařízení AR. Proč mají hlavní výrobci AR hardwaru tak rádi difrakční vlnovody? Co je to vlastně difrakční vlnovod?

01 Definice difrakčního vlnovodu

Pro hlubší pochopení můžeme termín 'difrakční vlnovod' rozdělit do dvou částí: difrakce a vlnovod.

Obvykle víme, že světlo se může šířit třemi způsoby: přímočarým šířením, odrazem a lomem. Na těchto třech principech jsou založeny například infračervené zaměřovače, periskopy a způsob, jakým vypadá brčko ohnuté, když je vloženo do vody. Difrakce je na druhé straně čtvrtý způsob, kterým se světlo může šířit.

V 17. století italský profesor matematiky Francesco Grimaldi objevil a vytvořil termín 'difrakce', který pochází z latinského slova 'diffringere', což znamená 'rozbít se na kusy.' To se týká původního směru šíření vln, které byly 'lámány' a ohýbány do různých směrů.

Při svých experimentech procházel paprskem světla dvěma malými otvory a na plátno v temné místnosti, přičemž pozoroval vzor světlých a tmavých pruhů na okrajích projekce. Proto difrakce označuje fyzikální jev, při kterém se mění směr šíření vlny při střetu s překážkami nebo štěrbinami.

Vzhledem k tomu, že znatelné difrakční efekty lze pozorovat pouze tehdy, když je velikost překážky nebo šířka štěrbiny srovnatelná nebo menší než vlnová délka vlny, je často obtížné zaznamenat difrakci světla v našem každodenním životě. Za určitých zvláštních podmínek ji však můžeme pozorovat. Například jev 'sláva' viděný na obloze, který se jeví jako barevné halo kolem stínů, je výsledkem slunečního světla ohýbajícího se přes malé kapičky vody a ledové krystaly v mracích.

Po probrání difrakce, co přesně je vlnovod?

V našem světě existují různé typy vln, včetně světelných vln, zvukových vln a elektromagnetických vln.

Vlnovod je zařízení, které přenáší tyto vlny z jednoho místa na druhé. Světelný vlnovod je tedy médium nebo zařízení, které vede světelné vlny při jejich šíření.

S pochopením jak difrakce, tak vlnovodu, můžeme definovat difrakční vlnovod: jednoduše řečeno je to médium, které využívá difrakci světla k vedení světelných vln při jejich cestování.

Difrakční vlnovod

Abychom dále vysvětlili, difrakční vlnovod je navržen tak, aby využíval difrakční vlastnosti mřížek k vytvoření 'světelné dráhy', umožňující světlu šířit se po předem určené trase a vést světlo vyzařované z mikroprojekčního systému do lidského oka.

Difrakční mřížka, optický prvek s periodickou strukturou, je základní součástí difrakčního vlnovodu. Na základě typu použité mřížky lze difrakční vlnovody rozdělit do dvou typů: vlnovody s povrchovou reliéfní mřížkou a vlnovody s objemovou holografickou mřížkou.

02 Vlnovod povrchové reliéfní mřížky

Povrchové reliéfní mřížky se vytvářejí 'vyřezáváním' vysokých vrcholů a nízkých údolí na povrchu materiálu pomocí procesů, jako je fotolitografie a leptání. Tato výrobní technika dosahuje periodické struktury, která splňuje požadovaný optický výkon.

Tyto mřížky manipulují se světlem, které s nimi interaguje, což umožňuje efektivní difrakci a vedení světla ve vlnovodu. Povrchové reliéfní mřížky jsou široce používány kvůli jejich jednoduchosti výroby a jejich schopnosti integrace do různých optických systémů.

SEM obrázek povrchové reliéfní mřížky

Vlnovod s povrchovou reliéfní mřížkou pro vedení světla vyzařovaného z mikroprojekčního systému (optického motoru) do lidského oka, světlo musí projít procesy spojování a spojování. Konkrétně světlo vyzařované z optického motoru vstupuje do vlnovodu přes vstupní mřížku, šíří se úplným vnitřním odrazem v plochém vlnovodu a nakonec je přenášeno do lidského oka výstupní mřížkou. Vstupní a výstupní mřížky, které se zde používají, jsou povrchové reliéfní mřížky.

Vzhledem k tomu, že nanoměřítky mřížky jsou srovnatelné s vlnovou délkou světla, světlo by nemělo být považováno za obyčejné paprsky, ale spíše za elektromagnetické vlny. Když světlo dopadne na mřížku, podstoupí víceřádovou difrakci.

Například, pokud optický motor emituje monochromatické světlo (jako je zelené světlo), toto světlo se po dopadu na vstupní mřížku rozdělí na několik paprsků pohybujících se v různých směrech (řády difrakce). Jeden z těchto nenulových řádů difrakce (např. +1 řád) vyhoví podmínce úplného vnitřního odrazu plochého vlnovodu, což mu umožní vstoupit a šířit se vlnovodem prostřednictvím úplného vnitřního odrazu. Toto specifické difrakční pořadí je označováno jako pracovní řád difrakčního vlnovodu. Přesným řízením parametrů, jako je perioda, pracovní cyklus, hloubka drážky a úhel boční stěny mřížky, může být většina světelné energie koncentrována do pracovního řádu difrakčního vlnovodu, což účinně spojuje většinu světelné energie do vlnovodu. Tento proces je známý jako proces spojování difrakčního vlnovodu.

Odpovídajícím způsobem, když světlo, které se šíří úplným vnitřním odrazem v difrakčním vlnovodu, narazí na výstupní mřížku, vytvoří také několik řádů difrakce. Jeden z těchto nenulových řádů opustí difrakční vlnovod ve specifickém směru a následně vstoupí do lidského oka. Toto je známé jako proces propojení difrakčního vlnovodu.

Pokud optický motor vyzařuje barevné světlo, kromě výše zmíněných procesů budou zapojené další složitosti. Vzhledem k měnícím se vlnovým délkám různých barev světla se bude lišit i jejich difrakční účinnost. V důsledku toho se může během šíření energie každé barvy světla v různé míře ztratit, což má za následek disperzi. Optimalizací různých parametrů mřížky může mřížka přesně řídit energii různých vlnových délek světla, čímž minimalizuje problémy s rozptylem a nakonec nám umožňuje vidět obrázky s přesnými barvami.

Pro řešení složitých problémů difrakce mřížky vyvinula společnost komplexní sadu výpočetního softwaru pro různé typy mřížek, založený na Fourierově modální metodě (FMM), která dokáže rychle a přesně vypočítat difrakční problémy související s mřížkami.

Kromě toho má společnost plně vybavené centrum pro hlavní zpracování mřížek a kompletní systém hromadné výroby pro difrakční vlnovody, čímž dosahuje úzké koordinace mezi návrhem a výrobou. Při navrhování mřížek je možné vzít v úvahu zpracovatelské schopnosti předlohy a výrobní techniky, což umožňuje včasné úpravy a optimalizace v případě problémů, což vede k rychlému cyklu opakování produktu.

Difrakční vlnovod, který je velmi oblíbený u hlavních výrobců hardwaru pro AR, konkrétně odkazuje na vlnovod s povrchovou reliéfní mřížkou. Mezi jeho výhody patří tenký design, velké zorné pole, široký rozsah pohybu očí a nízké náklady na hromadnou výrobu, díky čemuž je široce považován za hlavní proud zobrazovací technologie v průmyslu AR.

03 Objemový holografický mřížkový vlnovod

Proces šíření světla v objemovém holografickém mřížkovém vlnovodu je v zásadě podobný jako ve vlnovodu s povrchovou reliéfní mřížkou.

Klíčový rozdíl spočívá ve způsobu vytvoření objemové holografické mřížky. Namísto toho, aby byla 'vytvarována', je objemová holografická mřížka vytvořena vystavením filmu fotorezistu na substrátu interferenčním vzorům vytvořeným dvěma koherentními paprsky světla. Tento proces vytváří periodickou prostorovou distribuci s měnícími se indexy lomu na molekulární úrovni. Objemové holografické mřížky obvykle pracují za podmínek Braggovy difrakce.

Co jsou podmínky Braggovy difrakce?

V roce 1912 německý vědec Max von Laue objevil fenomén rentgenové difrakce v krystalech, čímž položil základy pro studium fyziky rentgenové difrakce. Ve stejném roce Lawrence Bragg prostřednictvím opakovaných studií v Cavendishově laboratoři dospěl k závěru, že tento jev je typem efektu vlnové difrakce.

V roce 1913 Lawrence Bragg a jeho otec Henry Bragg společně navrhli Braggovu formu rentgenové difrakce (známou jako Braggova difrakce). Zjistili, že když vlny subatomárních částic vstoupí do krystalu, pokud je vlnová délka vln částic blízká vzdálenosti mezi atomy v krystalu, budou vlny částic rozptýleny atomy zrcadlově. Tento rozptyl bude mít za následek konstruktivní interferenci podle Braggova zákona, tvořící koncentrované vrcholy vln (známé jako Braggovy vrcholy). Braggovy podmínky jsou kritéria, která musí být splněna, aby došlo ke konstruktivní interferenci.

Schematický diagram Braggovy difrakce

Na principu Braggovy difrakce, kdy světelné vlny splňují Braggovy podmínky, mohou objemové holografické mřížky dosahovat velmi vysoké difrakční účinnosti. Braggovy podmínky však kladou přísné požadavky na úhel a vlnovou délku dopadajícího světla. Pokud tyto podmínky nejsou splněny, může difrakční účinnost rychle klesat. To má za následek, že vlnovody s objemovou holografickou mřížkou se snaží dosáhnout dobré barevné uniformity, což nesplňuje požadavky trhu.

V současné době vykazují vlnovody s objemovou holografickou mřížkou značné mezery ve srovnání s vlnovody s povrchovou reliéfní mřížkou, pokud jde o výkon displeje, komercializaci produktu a průmyslovou podporu.

04 Shrnutí

AR difrakční vlnovody využívají difrakční charakteristiky mřížek k navrhování 'světelných drah', které umožňují, aby světlo vyzařované z mikroprojekčních systémů bylo směrováno do lidského oka. Na základě typu použité difrakční mřížky lze difrakční vlnovody rozdělit na vlnovody s povrchovou reliéfní mřížkou a vlnovody s objemovou holografickou mřížkou.

Vlnovody s povrchovou reliéfní mřížkou nabízejí výhody, jako je nízká hmotnost, velké zorné pole, široký rozsah pohybu očí a nízké náklady na hromadnou výrobu. V důsledku toho jsou široce považovány za hlavní technologii zobrazování v průmyslu AR. Zatímco vlnovody s objemovou holografickou mřížkou vykazují velmi vysokou difrakční účinnost, potýkají se s barevnou jednotností kvůli přísným podmínkám Braggovy difrakce a jsou stále v raných fázích vývoje technologie, což vyžaduje významný pokrok k dosažení průlomů.

S neustálým technologickým pokrokem a zlepšováním zpracování začínají AR difrakční vlnovody založené na povrchových reliéfních mřížkách vstupovat na spotřebitelský trh. Předpokládá se, že v budoucnu poskytnou výjimečné zážitky z AR zobrazení pro více výrobců hardwaru AR.