Was ist ein AR-Beugungswellenleiter?

Diffraktiver Wellenleiter ist eine gängige optische Anzeigelösung für AR-Brillen. Viele AR-Geräte nutzen diese Technologie. Warum sind große Hersteller von AR-Hardware so begeistert von diffraktiven Wellenleitern? Was genau ist ein diffraktiver Wellenleiter?

01 Definition des diffraktiven Wellenleiters

Um ein tieferes Verständnis zu erlangen, können wir den Begriff „beugender Wellenleiter“ in zwei Teile unterteilen: Beugung und Wellenleiter.

Normalerweise wissen wir, dass sich Licht auf drei Arten ausbreiten kann: geradlinige Ausbreitung, Reflexion und Brechung. Beispielsweise basieren Infrarot-Visiere, Periskope und die Art und Weise, wie ein Strohhalm gebogen aussieht, wenn er ins Wasser gelegt wird, alle auf diesen drei Prinzipien. Beugung hingegen ist der vierte Weg, auf dem sich Licht ausbreiten kann.

Im 17. Jahrhundert entdeckte und prägte der italienische Mathematikprofessor Francesco Grimaldi den Begriff „Beugung“, der vom lateinischen Wort „diffringere“ stammt, was „in Stücke zerbrechen“ bedeutet. Damit ist gemeint, dass die ursprüngliche Richtung der Wellenausbreitung „gebrochen“ und in verschiedene Richtungen gebogen wird.

Bei seinen Experimenten ließ er einen Lichtstrahl durch zwei kleine Öffnungen auf eine Leinwand in einem dunklen Raum fallen und beobachtete dabei ein Muster aus hellen und dunklen Streifen an den Rändern der Projektion. Daher bezieht sich Beugung auf das physikalische Phänomen, bei dem sich die Richtung der Wellenausbreitung ändert, wenn sie auf Hindernisse oder Schlitze trifft.

Aufgrund der Tatsache, dass spürbare Beugungseffekte nur dann beobachtet werden können, wenn die Größe eines Hindernisses oder die Breite eines Schlitzes mit der Wellenlänge der Welle vergleichbar oder kleiner als diese ist, ist es in unserem täglichen Leben oft schwierig, Lichtbeugung zu erkennen. Unter bestimmten besonderen Bedingungen können wir es jedoch beobachten. Beispielsweise ist das am Himmel beobachtete „Glory“-Phänomen, das als bunter Lichthof um Schatten erscheint, das Ergebnis der Beugung des Sonnenlichts durch kleine Wassertröpfchen und Eiskristalle in den Wolken.

Was genau ist ein Wellenleiter, nachdem wir über Beugung gesprochen haben?

In unserer Welt gibt es verschiedene Arten von Wellen, darunter Lichtwellen, Schallwellen und elektromagnetische Wellen.

Ein Wellenleiter ist ein Gerät, das diese Wellen von einem Ort zum anderen überträgt. Ein Lichtwellenleiter ist also ein Medium oder Gerät, das Lichtwellen bei ihrer Ausbreitung leitet.

Mit einem Verständnis sowohl von Beugung als auch von Wellenleitern können wir einen diffraktiven Wellenleiter definieren: Einfach ausgedrückt ist es ein Medium, das die Beugung von Licht nutzt, um Lichtwellen auf ihrem Weg zu leiten.

Beugender Wellenleiter

Um es weiter zu erklären: Ein diffraktiver Wellenleiter soll die Beugungseigenschaften von Gittern nutzen, um einen „Lichtweg“ zu erzeugen, der es dem Licht ermöglicht, sich entlang einer vorgegebenen Route auszubreiten und das von einem Mikroprojektionssystem emittierte Licht in das menschliche Auge zu leiten.

Das diffraktive Gitter, ein optisches Element mit periodischer Struktur, ist die Kernkomponente des diffraktiven Wellenleiters. Basierend auf der Art des verwendeten Gitters können diffraktive Wellenleiter in zwei Typen eingeteilt werden: Wellenleiter mit Oberflächenreliefgitter und volumenholografische Gitterwellenleiter.

02 Oberflächenreliefgitter-Wellenleiter

Oberflächenreliefgitter entstehen durch das „Formen“ hoher Spitzen und niedriger Täler auf der Oberfläche eines Materials durch Prozesse wie Fotolithographie und Ätzen. Durch diese Herstellungstechnik wird eine periodische Struktur erreicht, die die erforderliche optische Leistung erfüllt.

Diese Gitter manipulieren das Licht, das mit ihnen interagiert, und ermöglichen so eine effektive Beugung und Führung des Lichts innerhalb des Wellenleiters. Oberflächenreliefgitter werden aufgrund ihrer einfachen Herstellung und ihrer Fähigkeit, in verschiedene optische Systeme integriert zu werden, häufig verwendet.

REM-Bild eines Oberflächenreliefgitters

Oberflächenreliefgitter-Wellenleiter Um das von einem Mikroprojektionssystem (optische Maschine) emittierte Licht in das menschliche Auge zu leiten, muss das Licht die Prozesse der Ein- und Auskopplung durchlaufen. Konkret tritt das vom optischen Motor emittierte Licht durch das Eingangsgitter in den Wellenleiter ein, breitet sich durch Totalreflexion innerhalb des flachen Wellenleiters aus und wird schließlich durch das Ausgangsgitter zum menschlichen Auge übertragen. Die hier verwendeten Ein- und Ausgangsgitter sind Oberflächenreliefgitter.

Da die nanoskaligen Eigenschaften des Gitters mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind, sollte Licht nicht als gewöhnliche Strahlung, sondern eher als elektromagnetische Wellen betrachtet werden. Wenn Licht auf das Gitter trifft, wird es einer Beugung in mehreren Ordnungen unterzogen.

Wenn der optische Motor beispielsweise monochromatisches Licht (z. B. grünes Licht) aussendet, wird dieses Licht beim Auftreffen auf das Eingangsgitter in mehrere Strahlen aufgeteilt, die sich in verschiedene Richtungen (Beugungsordnungen) bewegen. Eine dieser Beugungsordnungen ungleich Null (z. B. +1. Ordnung) erfüllt die Bedingung der inneren Totalreflexion des flachen Wellenleiters, sodass dieser über die innere Totalreflexion in den Wellenleiter eindringen und sich durch diesen ausbreiten kann. Diese spezifische Beugungsordnung wird als Arbeitsordnung des diffraktiven Wellenleiters bezeichnet. Durch die präzise Steuerung von Parametern wie Periode, Arbeitszyklus, Rillentiefe und Seitenwandwinkel des Gitters kann der Großteil der Lichtenergie in der Arbeitsordnung des diffraktiven Wellenleiters konzentriert werden, wodurch der Großteil der Lichtenergie effektiv in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Dieser Vorgang wird als Einkoppelvorgang des diffraktiven Wellenleiters bezeichnet.

Wenn das Licht, das sich durch Totalreflexion innerhalb des diffraktiven Wellenleiters ausbreitet, auf das Ausgangsgitter trifft, erzeugt es dementsprechend auch mehrere Beugungsordnungen. Eine dieser Ordnungen ungleich Null verlässt den diffraktiven Wellenleiter in einer bestimmten Richtung und gelangt anschließend in das menschliche Auge. Dies wird als Auskoppelvorgang des diffraktiven Wellenleiters bezeichnet.

Wenn die optische Engine farbiges Licht aussendet, sind zusätzlich zu den oben genannten Prozessen weitere Komplexitäten erforderlich. Aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen verschiedener Lichtfarben unterscheiden sich auch ihre Beugungseffizienzen. Folglich kann während der Ausbreitung die Energie jeder Lichtfarbe in unterschiedlichem Maße verloren gehen, was zu einer Streuung führt. Durch die Optimierung verschiedener Gitterparameter kann das Gitter die Energie verschiedener Lichtwellenlängen präzise steuern, wodurch Dispersionsprobleme minimiert werden und wir letztendlich Bilder mit präzisen Farben sehen können.

Um die komplexen Probleme der Gitterbeugung anzugehen, hat das Unternehmen eine umfassende Suite von Berechnungssoftware für verschiedene Gittertypen entwickelt, die auf der Fourier-Modal-Methode (FMM) basiert und mit der Beugungsprobleme im Zusammenhang mit Gittern schnell und genau berechnet werden können.

Darüber hinaus verfügt das Unternehmen über ein voll ausgestattetes Gitter-Master-Bearbeitungszentrum und ein komplettes Massenproduktionssystem für diffraktive Wellenleiter, wodurch eine enge Abstimmung zwischen Design und Fertigung erreicht wird. Bei der Gestaltung von Gitterrosten können die Verarbeitungsfähigkeiten des Masters und die Produktionstechniken berücksichtigt werden, sodass rechtzeitige Anpassungen und Optimierungen möglich sind, wenn Probleme auftreten, was zu einem schnellen Produktiterationszyklus führt.

Der diffraktive Wellenleiter, der bei großen AR-Hardwareherstellern sehr beliebt ist, bezieht sich speziell auf den Wellenleiter mit Oberflächenreliefgitter. Zu seinen Vorteilen gehören ein schlankes Design, ein großes Sichtfeld, ein großer Augenbewegungsbereich und niedrige Massenproduktionskosten, was es weithin als die gängige Display-Technologie-Route in der AR-Branche gilt.

03 Volumen holographischer Gitterwellenleiter

Der Ausbreitungsprozess von Licht in einem volumenholografischen Gitterwellenleiter ähnelt grundsätzlich dem in einem Oberflächenreliefgitterwellenleiter.

Der Hauptunterschied liegt in der Art und Weise, wie das volumenholografische Gitter erzeugt wird. Anstatt „geformt“ zu werden, entsteht das volumenholografische Gitter, indem ein Fotolackfilm auf einem Substrat Interferenzmustern ausgesetzt wird, die durch zwei kohärente Lichtstrahlen erzeugt werden. Dieser Prozess erzeugt eine periodische räumliche Verteilung mit unterschiedlichen Brechungsindizes auf molekularer Ebene. Volumenholographische Gitter arbeiten typischerweise unter Bragg-Beugungsbedingungen.

Was sind Bragg-Beugungsbedingungen?

Im Jahr 1912 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Max von Laue das Phänomen der Röntgenbeugung in Kristallen und legte damit den Grundstein für das Studium der Röntgenbeugungsphysik. Im selben Jahr kam Lawrence Bragg durch wiederholte Studien am Cavendish Laboratory zu dem Schluss, dass es sich bei diesem Phänomen um eine Art Wellenbeugungseffekt handelt.

Im Jahr 1913 schlugen Lawrence Bragg und sein Vater Henry Bragg gemeinsam die Bragg-Form der Röntgenbeugung (bekannt als Bragg-Beugung) vor. Sie fanden heraus, dass beim Eintritt subatomarer Teilchenwellen in einen Kristall die Teilchenwellen von den Atomen spiegelartig gestreut werden, wenn die Wellenlänge der Teilchenwellen nahe am Abstand zwischen den Atomen im Kristall liegt. Diese Streuung führt gemäß dem Braggschen Gesetz zu konstruktiver Interferenz und bildet konzentrierte Wellenspitzen (sogenannte Bragg-Peaks). Die Bragg-Bedingungen sind die Kriterien, die erfüllt sein müssen, damit konstruktive Interferenz auftritt.

Schematisches Diagramm der Bragg-Beugung

Basierend auf dem Prinzip der Bragg-Beugung können volumenholographische Gitter eine sehr hohe Beugungseffizienz erreichen, wenn Lichtwellen die Bragg-Bedingungen erfüllen. Allerdings stellen die Bragg-Bedingungen strenge Anforderungen an den Winkel und die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, kann die Beugungseffizienz schnell sinken. Dies führt dazu, dass volumenholographische Gitterwellenleiter Schwierigkeiten haben, eine gute Farbgleichmäßigkeit zu erreichen, was den Marktanforderungen nicht gerecht wird.

Derzeit weisen volumenholographische Gitterwellenleiter im Vergleich zu Oberflächenrelief-Gitterwellenleitern hinsichtlich der Anzeigeleistung, der Produktvermarktung und der industriellen Unterstützung erhebliche Lücken auf.

04 Zusammenfassung

AR-Beugungswellenleiter nutzen die Beugungseigenschaften von Gittern, um „Lichtwege“ zu entwerfen, sodass von Mikroprojektionssystemen emittiertes Licht in das menschliche Auge geleitet werden kann. Basierend auf der Art des verwendeten Beugungsgitters können diffraktive Wellenleiter in Wellenleiter mit Oberflächenreliefgitter und volumenholographische Gitterwellenleiter eingeteilt werden.

Wellenleiter mit Oberflächenreliefgitter bieten Vorteile wie geringes Gewicht, ein großes Sichtfeld, einen großen Augenbewegungsbereich und niedrige Massenproduktionskosten. Daher gelten sie weithin als die Mainstream-Anzeigetechnologie in der AR-Branche. Während volumenholographische Gitterwellenleiter eine sehr hohe Beugungseffizienz aufweisen, haben sie aufgrund der strengen Bragg-Beugungsbedingungen Probleme mit der Farbgleichmäßigkeit und befinden sich noch in einem frühen Stadium der Technologieentwicklung, sodass erhebliche Fortschritte erforderlich sind, um Durchbrüche zu erzielen.

Mit fortschreitenden technologischen Fortschritten und Verbesserungen in der Verarbeitung beginnen AR-Beugungswellenleiter auf Basis von Oberflächenreliefgittern auf den Verbrauchermarkt vorzudringen. Man geht davon aus, dass sie in Zukunft mehr AR-Hardwareherstellern außergewöhnliche AR-Anzeigeerlebnisse bieten werden.