Wie funktioniert die diffraktive Wellenleitertechnologie bei der Anzeige von AR-Brillen?

In unserem vorherigen Artikel „Was ist ein AR-Beugungswellenleiter?“ haben wir die Grundprinzipien von Beugungswellenleitern erläutert und die Unterschiede zwischen Wellenleitern mit Oberflächenreliefgitter und volumenholografischen Gitterwellenleitern hervorgehoben. Heute werden wir uns eingehender mit den Kernfunktionen und Optimierungsrichtungen diffraktiver Wellenleiter befassen und diskutieren, warum sich diffraktive Wellenleiter auf der Basis von Oberflächenreliefgittern als gängige Anzeigetechnologie für AR-Brillen durchsetzen.

01 Kernfunktionen diffraktiver Wellenleiter

1. Isometrische Bildübertragung

Aus unseren früheren Artikeln wissen wir, dass ein diffraktiver Wellenleiter Ein- und Auskopplungsprozesse durchlaufen muss, damit er das von einem Mikroprojektionssystem (optische Maschine) emittierte Licht in das menschliche Auge leiten kann. Konkret tritt das vom optischen Motor emittierte Licht durch das Koppelgitter in den flachen Wellenleiter ein, breitet sich darin durch Totalreflexion aus und wird schließlich durch das Auskoppelgitter zum Auge übertragen.

Der wichtigste Aspekt dieses Prozesses ist die totale innere Reflexion. Aber was genau ist Totalreflexion?

Totalreflexion tritt auf, wenn Licht von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex zu einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex wandert und der Einfallswinkel größer oder gleich dem kritischen Winkel ist. Wenn die Bedingungen für die Totalreflexion erfüllt sind, breitet sich das Licht durch Reflexion kontinuierlich durch den flachen Wellenleiter aus, ohne nach außen übertragen zu werden, wodurch die Richtung des Lichts geändert werden kann. Ein bekanntes Naturphänomen, das durch Totalreflexion entsteht, ist die Fata Morgana.

Normalerweise geben AR-Brillen Bilder mithilfe einer optischen Engine aus. Allerdings würde die Platzierung der optischen Einheit direkt auf dem Objektiv die Sicht des Benutzers behindern und optisch unattraktiv sein. Darüber hinaus würde der alleinige Einsatz der optischen Engine nicht den gewünschten Effekt der Verschmelzung virtueller und realer Bilder erzielen.

Unter Ausnutzung des Prinzips der Totalreflexion können diffraktive Wellenleiter eine isometrische Übertragung der von der optischen Einheit projizierten Bilder durchführen, sodass die optische Einheit oben oder an der Seite der Brille positioniert werden kann. Dieser Ansatz vermeidet nicht nur eine Behinderung der Sichtlinie des Benutzers, sondern bringt AR-Brillen aufgrund der hohen Lichtdurchlässigkeit und des dünnen Profils des diffraktiven Wellenleiters auch optisch an normale Brillen heran und erzielt gleichzeitig den gewünschten Effekt der virtuell-realen Integration.

Es ist wichtig zu beachten, dass der diffraktive Wellenleiter ausschließlich für die Übertragung des Bildes auf das Auge verantwortlich ist und den Inhalt des Bildes selbst nicht beeinflusst, was bedeutet, dass er nicht in der Lage ist, die Bildgröße zu vergrößern oder zu verkleinern.

2. Zweidimensionale Pupillenerweiterung

Standardmäßigen optischen Anzeigelösungen mangelt es in der Regel an Möglichkeiten zur Pupillenerweiterung, sodass der Betrachter Bilder nur innerhalb des Bereichs der Austrittspupillegröße der optischen Engine (dh des Augenbewegungsbereichs) sehen kann. Wenn beispielsweise die Austrittspupille des optischen Motors einen Durchmesser von 5 mm hat, kann der Benutzer das Bild nur innerhalb eines Bereichs von 5 mm betrachten. Dies ähnelt einem Blick auf die Welt durch ein Guckloch, was das Eintauchen und das visuelle Erlebnis deutlich verringert.

Um dieses Problem zu lösen, können diffraktive Wellenleiter eine zweidimensionale Pupillenerweiterung erreichen, die die Austrittspupille vergrößert und gleichzeitig eine kompakte Größe und ein weites Sichtfeld beibehält. Dadurch wird der Augenbewegungsbereich in beide Richtungen effektiv vergrößert, was zu einem stärkeren Gefühl des Eintauchens und einem verbesserten Seherlebnis führt und gleichzeitig unterschiedliche Augenabstände berücksichtigt. Dies stellt die zweite Kernfunktion diffraktiver Wellenleiter dar.

Generell gibt es zwei Ansätze zur Umsetzung einer zweidimensionalen Pupillenerweiterung. Bei der ersten handelt es sich um die Verwendung dreier eindimensionaler Gitter (d. h. Kopplungsgitter, Biegegitter und Auskopplungsgitter). Der zweite Ansatz verwendet ein eindimensionales Gitter (Koppelgitter) und ein zweidimensionales Gitter (Auskoppelgitter).

Beim ersten Ansatz wird das vom optischen Motor emittierte Licht durch das Kopplungsgitter in den Wellenleiter eingekoppelt. Anschließend durchläuft das Licht eine Totalreflexion und trifft auf das Biegegitter, wo ein Teil des Lichts zum Auskoppelgitter umgeleitet wird, während sich der verbleibende Lichtanteil durch Reflexion weiter nach vorne ausbreitet. Dieses Licht trifft erneut auf das Biegegitter und ein weiterer Teil wird auf das Auskoppelgitter umgelenkt. Dieser Vorgang wird wiederholt, um eine eindimensionale Pupillenerweiterung zu erreichen.

Schließlich wird ein Teil des Lichts, das das Auskoppelgitter erreicht, in das Auge gebeugt, während sich das verbleibende Licht durch Reflexion weiter nach vorne ausbreitet und erneut mit dem Auskoppelgitter interagiert. Dieser Prozess führt zu einer anderen Richtung der eindimensionalen Pupillenerweiterung. Wenn diese beiden eindimensionalen Erweiterungen kombiniert werden, entsteht eine zweidimensionale Pupillenerweiterung.

Beim zweiten Ansatz beginnt der Prozess ebenfalls damit, das von der optischen Maschine emittierte Licht mithilfe des Koppelgitters in den Wellenleiter einzukoppeln. Anschließend erfährt das Licht eine Totalreflexion und trifft auf das zweidimensionale Auskoppelgitter. An diesem Punkt wird ein Teil des Lichts in das Auge gebeugt, während das verbleibende Licht geteilt wird und sich durch Reflexion sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung weiter nach vorne ausbreitet.

Das Licht wechselwirkt dann erneut mit dem Auskoppelgitter, wo ein weiterer Teil in das Auge gebeugt wird. Dieser Vorgang wird wiederholt, wodurch effektiv eine zweidimensionale Pupillenerweiterung erreicht wird.

Das Obige beschreibt die physikalischen Prozesse der zweidimensionalen Pupillenerweiterungsschemata. Im Vergleich dazu ist das erste Schema hinsichtlich des Designs und der Herstellung des diffraktiven Wellenleiters relativ einfacher, nimmt aber insgesamt mehr Linsenfläche ein. Das zweite Schema hingegen erfordert die Verwendung zweidimensionaler Gitter, deren Design und Herstellung komplexer sind, was die Implementierung schwieriger macht. Dieser Ansatz führt jedoch zu einer kompakteren Gesamtstruktur, was eine Reduzierung der Linsenfläche ermöglicht.

Durch den Einsatz einer zweidimensionalen Pupillenerweiterung können wir nicht nur den Augenbewegungsbereich vergrößern und das Eintauchen des Benutzers verbessern, sondern auch das Gewicht und die Abmessungen der optischen Engine sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung reduzieren, wodurch AR-Brillen leichter und anpassungsfähiger werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass die zweidimensionale Pupillenerweiterung zwar das Bild mehrfach reproduziert, wir jedoch tatsächlich nur ein Bild und nicht mehrere Bilder wahrnehmen. Denn das vom Auskoppelgitter übertragene Bild ist kein reales, sondern ein virtuelles Bild. Darüber hinaus neigt das menschliche Gehirn dazu, sich selbst zu täuschen, indem es der erweiterten Sichtlinie der Lichtstrahlen folgt, die es sieht. Die durch die Pupillenerweiterung erzeugten Lichtstrahlen entsprechen verschiedenen Winkeln desselben virtuellen Bildes. Unabhängig davon, wie viele verschiedene Positionen der erweiterten Lichtstrahlen das Auge wahrnimmt, werden sie basierend auf der erweiterten Sichtlinie auf dasselbe Bild zurückgeführt.

Es ähnelt beispielsweise der Beobachtung einer Kerze durch einen Planspiegel. Das Licht der Kerze wird vom Spiegel reflektiert und gelangt in das Auge, das dann anhand der verlängerten Linie der Lichtstrahlen das virtuelle Bild sucht. Die drei im Diagramm dargestellten Lichtstrahlen können als aufgeweitete Lichtstrahlen an drei verschiedenen Positionen im diffraktiven Wellenleiter verstanden werden. Wenn wir diese drei Lichtstrahlen gleichzeitig sehen, zeigen sie alle auf dasselbe Bild, wie im Diagramm gezeigt.

Darüber hinaus gibt es ein weit verbreitetes Missverständnis, dass diffraktive Wellenleiter eine geringe Energieeffizienz haben. In Wirklichkeit entsteht diese Wahrnehmung während des Prozesses der Erzielung einer zweidimensionalen Pupillenerweiterung, bei der der diffraktive Wellenleiter die Lichtenergie in viele Teile aufteilen und sie gleichmäßig über jede Position der Austrittspupille verteilen muss. Dadurch verringert sich natürlich die Energie pro Flächeneinheit. Wenn wir jedoch alle Lichtstrahlen des diffraktiven Wellenleiters im Auge sammeln würden, würden wir feststellen, dass seine Energieeffizienz tatsächlich nicht niedrig ist.

Der Hauptgrund für die wahrgenommene geringe Energieeffizienz diffraktiver Wellenleiter ist daher die Pupillenerweiterung. Allerdings ist die Ausdehnung ein wesentliches Merkmal diffraktiver Wellenleiter und bietet, wie bereits erwähnt, zahlreiche Vorteile. Daher ist es wichtig, die Energieeffizienz zu maximieren und gleichzeitig ein gewisses Maß an Schülererweiterung aufrechtzuerhalten.

02 Drei wichtige Optimierungsrichtungen für diffraktive Wellenleiter

1. Optimierung der Lichtbeugungseffizienz

Wie bereits erwähnt, sind viele Menschen der Meinung, dass diffraktive Wellenleiter eine geringe Energieeffizienz haben. Um dieses Problem anzugehen, ist es notwendig, die Energieeffizienz zu verbessern, indem die Beugungseffizienz des Lichts optimiert und gleichzeitig ein gewisses Maß an Pupillenerweiterung aufrechterhalten wird.

Da die Strukturgröße nanoskaliger Gitter mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist, ist es wichtig, Licht bei der Ausbreitung nicht als gewöhnliche Strahlen, sondern als elektromagnetische Wellen zu behandeln. Wenn Licht auf das Gitter trifft, wird es in verschiedene Richtungen (Beugungsordnungen) aufgespalten und dabei geht zwangsläufig ein Teil der Lichtenergie verloren.

Um sicherzustellen, dass der Großteil der Lichtenergie in den diffraktiven Wellenleiter eingekoppelt wird, wählen wir typischerweise eine bestimmte Beugungsordnung ungleich Null (die die Bedingungen der Totalreflexion erfüllt) als Arbeitsordnung des diffraktiven Wellenleiters aus. Durch die präzise Steuerung von Parametern wie Gitterperiode, Arbeitszyklus, Rillentiefe und Seitenwandwinkel können wir die Beugungseffizienz des Lichts optimieren und den Großteil der Lichtenergie in dieser Arbeitsordnung konzentrieren. Dies wiederum steigert die Energieeffizienz und ermöglicht eine höhere Bildhelligkeit.

2. Optimierung der Beugungseffizienz für verschiedene Einfallswinkel

Ein weiterer wichtiger Faktor, der bei der Optimierung des Gitters berücksichtigt werden muss, ist der Einfluss des Einfallswinkels des Lichts auf die Beugungseffizienz.

Da das von der optischen Maschine projizierte Bild eine Lichtoberfläche bildet, tritt Licht von verschiedenen Positionen auf dieser Oberfläche in unterschiedlichen Winkeln in den diffraktiven Wellenleiter ein. Bei diffraktiven Wellenleitern führen unterschiedliche Einfallswinkel zu unterschiedlichen Beugungseffizienzen, was zu Inkonsistenzen in der Gesamthelligkeit des Bildes führt.

Daher ist es neben der Optimierung der Beugungseffizienz für eine bestimmte Beugungsordnung auch wichtig, die Beugungseffizienz für Licht bei verschiedenen Einfallswinkeln zu optimieren, um eine gleichmäßige Helligkeit sicherzustellen.

3. Optimierung der Beugungseffizienz für verschiedene Wellenlängen

Unterschiedliche Lichtfarben haben unterschiedliche Wellenlängen, was sich auf ihre Beugungseffizienz auswirkt. Darüber hinaus führen die unterschiedlichen Wellenlängen zu unterschiedlichen Beugungswinkeln, was bedeutet, dass während des Pupillenerweiterungsprozesses auch die Wechselwirkungsfrequenz verschiedener Lichtfarben mit dem Auskoppelgitter variiert. Diese beiden Faktoren erschweren es, dass jede Lichtfarbe mit gleichen Energieanteilen in das Auge gelangt, was zu Problemen mit der Farbgleichmäßigkeit führt. Daher ist es schwierig, mit einem einschichtigen diffraktiven Wellenleiter eine gute Farbgleichmäßigkeit in Bildern zu erreichen.

Um sicherzustellen, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen mit gleichen Energieanteilen austritt, wird typischerweise eine mehrschichtige (zwei Schichten oder mehr) Stapelung diffraktiver Wellenleiter verwendet. Jede Schicht des diffraktiven Wellenleiters ist so optimiert, dass sie die Energie für einen bestimmten Wellenlängenbereich steuert und verstärkt und gleichzeitig Übersprechen zwischen den Schichten unterdrückt. Dieser Ansatz stellt sicher, dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge letztendlich mit gleichen Energieanteilen in das Auge gelangt, wodurch die Farbgleichmäßigkeit verbessert und normale, lebendige Bilder angezeigt werden.

03 Zusammenfassung

Einerseits haben diffraktive Wellenleiter zwei Kernfunktionen: die isometrische Bildübertragung und die zweidimensionale Pupillenerweiterung. Basierend auf diesen Funktionen ermöglichen sie, dass AR-Brillen leicht und schlank sind und gleichzeitig einem breiteren Benutzerkreis gerecht werden, was ein starkes Immersionsgefühl und ein hervorragendes visuelles Erlebnis bietet. Darüber hinaus verbessert die Integration von Halbleiterprozessen die Herstellbarkeit diffraktiver Wellenleiter und schafft so eine solide Grundlage für den Eintritt von AR-Brillen in den Verbrauchermarkt.

Andererseits bieten diffraktive Wellenleiter als gängige Anzeigetechnologie für AR-Brillen großes Potenzial, weisen aber auch eine erhebliche Komplexität auf. Die Optimierung der Beugungseffizienz muss unter mehreren Gesichtspunkten betrachtet werden, einschließlich Beugungsordnungen, Einfallswinkeln und Wellenlängen.

Durch kontinuierliche Fortschritte in der Technologie und weitere Leistungsoptimierung sind AR-Beugungswellenleiter bereit, AR-Brillen in die Haushalte zu bringen und im Zeitalter des Metaversums hell zu erstrahlen.