¿Cómo funciona la tecnología de guía de onda difractiva en la pantalla de gafas AR?

En nuestro artículo anterior, '¿Qué es la guía de ondas difractiva AR?', explicamos los principios fundamentales de las guías de onda difractivas y destacamos las diferencias entre las guías de onda de rejilla de relieve superficial y las guías de onda de rejilla holográfica de volumen. Hoy, profundizaremos en las funciones principales y las direcciones de optimización de las guías de ondas difractivas, y discutiremos por qué las guías de ondas difractivas basadas en rejillas de relieve superficial están emergiendo como la tecnología de visualización principal para gafas AR.

01 Funciones principales de las guías de ondas difractivas

1. Transferencia isométrica de imágenes

Por nuestros artículos anteriores, sabemos que para que una guía de ondas difractiva dirija la luz emitida desde un sistema de microproyección (motor óptico) hacia el ojo humano, debe someterse a procesos de acoplamiento y desacoplamiento. Específicamente, la luz emitida por el motor óptico ingresa a la guía de ondas plana a través de la rejilla de acoplamiento, se propaga dentro de ella por reflexión interna total y finalmente se transmite al ojo a través de la rejilla de acoplamiento.

El aspecto más crucial de este proceso es la reflexión interna total. Pero ¿qué es exactamente la reflexión interna total?

La reflexión interna total ocurre cuando la luz viaja desde un medio con un índice de refracción más alto a uno con un índice de refracción más bajo, y el ángulo de incidencia es mayor o igual al ángulo crítico. Cuando se cumplen las condiciones para la reflexión interna total, la luz se propagará continuamente a través de la guía de ondas plana mediante reflexión sin ser transmitida, permitiendo así alterar la dirección de la luz. Un fenómeno natural muy conocido resultante de la reflexión interna total es el espejismo.

Normalmente, las gafas AR generan imágenes mediante un motor óptico. Sin embargo, colocar el motor óptico directamente sobre la lente obstruiría la visión del usuario y sería visualmente poco atractivo. Además, depender únicamente del motor óptico no lograría el efecto deseado de fusionar imágenes virtuales y reales.

Aprovechando el principio de reflexión interna total, las guías de ondas difractivas pueden realizar una transferencia isométrica de las imágenes proyectadas por el motor óptico, permitiendo que el motor óptico se coloque en la parte superior o lateral de las gafas. Este enfoque no solo evita obstruir la línea de visión del usuario sino que también, debido a la alta tasa de transmisión de luz y el perfil delgado de la guía de ondas difractivas, acerca la apariencia de las gafas AR a las gafas normales y, al mismo tiempo, logra el efecto deseado de integración virtual-real.

Es importante tener en cuenta que la guía de ondas difractiva es responsable únicamente de transferir la imagen al ojo y no afecta el contenido de la imagen en sí, lo que significa que no tiene la capacidad de ampliar o reducir el tamaño de la imagen.

2. Expansión de pupila bidimensional

Las soluciones de visualización óptica estándar normalmente carecen de capacidades de expansión de pupila, lo que limita al espectador a ver imágenes sólo dentro del rango del tamaño de la pupila de salida del motor óptico (es decir, rango de movimiento ocular). Por ejemplo, si la pupila de salida del motor óptico mide φ5 mm, el usuario sólo puede ver la imagen dentro de un rango de φ5 mm. Esto es similar a mirar el mundo a través de una mirilla, lo que disminuye significativamente la inmersión y la experiencia visual.

Para abordar este problema, las guías de ondas difractivas pueden lograr una expansión de la pupila bidimensional, ampliando la pupila de salida manteniendo un tamaño compacto y un amplio campo de visión. Esto aumenta efectivamente el rango de movimiento ocular en ambas direcciones, proporcionando una mayor sensación de inmersión y una experiencia visual mejorada, al mismo tiempo que se adapta a diferentes distancias interpupilares. Esto representa la segunda función central de las guías de ondas difractivas.

Generalmente existen dos enfoques para implementar la expansión pupilar bidimensional. El primero implica el uso de tres rejillas unidimensionales (es decir, rejilla de acoplamiento, rejilla de flexión y rejilla de acoplamiento). El segundo enfoque emplea una rejilla unidimensional (rejilla de acoplamiento) y una rejilla bidimensional (rejilla de acoplamiento).

En el primer enfoque, la luz emitida por el motor óptico se acopla a la guía de ondas a través de la rejilla de acoplamiento. Luego, la luz sufre una reflexión interna total e incide en la rejilla curvada, donde una parte de la luz se redirige a la rejilla de acoplamiento, mientras que la luz restante continúa propagándose hacia adelante a través de la reflexión. Esta luz volverá a incidir en la rejilla curvada y otra parte será redirigida a la rejilla de acoplamiento. Este proceso se repite para lograr una expansión pupilar unidimensional.

Finalmente, parte de la luz que llega a la rejilla de acoplamiento se difractará en el ojo, mientras que la luz restante continúa propagándose hacia adelante a través de la reflexión, interactuando nuevamente con la rejilla de acoplamiento. Este proceso da como resultado otra dirección de expansión pupilar unidimensional. Cuando estas dos expansiones unidimensionales se combinan, crean una expansión pupilar bidimensional.

En el segundo enfoque, el proceso también comienza acoplando la luz emitida por el motor óptico a la guía de ondas mediante la rejilla de acoplamiento. A continuación, la luz sufre una reflexión interna total e incide en la rejilla de acoplamiento bidimensional. En este punto, una parte de la luz se difracta hacia el ojo, mientras que la luz restante se divide y continúa propagándose hacia adelante mediante la reflexión tanto en dirección horizontal como vertical.

Luego, la luz volverá a interactuar con la rejilla de acoplamiento, donde otra porción se difracta hacia el ojo. Este proceso se repite, logrando efectivamente una expansión pupilar bidimensional.

Lo anterior describe los procesos físicos de los esquemas de expansión pupilar bidimensionales. En comparación, el primer esquema es relativamente más simple en términos del diseño y fabricación de la guía de ondas difractiva, pero ocupa más área total de la lente. El segundo esquema, por otro lado, requiere el uso de rejillas bidimensionales, que son más complejas de diseñar y fabricar, lo que hace que su implementación sea más difícil. Sin embargo, este enfoque da como resultado una estructura general más compacta, lo que permite una reducción del área de la lente.

Al emplear la expansión de la pupila bidimensional, no solo podemos aumentar el rango de movimiento ocular y mejorar la inmersión del usuario, sino también reducir el peso y las dimensiones del motor óptico tanto en dirección horizontal como vertical, lo que hace que las gafas AR sean más ligeras y adaptables.

Es importante señalar que, si bien la expansión pupilar bidimensional replica la imagen varias veces, en realidad percibimos sólo una imagen, no varias imágenes. Esto se debe a que la imagen transmitida por la rejilla de acoplamiento no es una imagen real sino virtual. Además, el cerebro humano tiende a engañarse a sí mismo siguiendo la línea de visión extendida de los rayos de luz que ve. Los rayos de luz generados por la expansión de la pupila corresponden a diferentes ángulos de la misma imagen virtual, por lo que, independientemente de cuántas posiciones diferentes de los rayos de luz expandidos perciba el ojo, rastrearán la misma imagen basándose en la línea de visión extendida.

Por ejemplo, es similar a observar una vela a través de un espejo plano. La luz de la vela se refleja en el espejo y entra en el ojo, que luego busca la imagen virtual basándose en la línea extendida de los rayos de luz. Los tres rayos de luz representados en el diagrama pueden entenderse como haces de luz expandidos en tres posiciones diferentes en la guía de ondas difractiva. Como se muestra en el diagrama, cuando vemos estos tres rayos de luz simultáneamente, todos apuntan a la misma imagen.

Además, existe la idea errónea de que las guías de ondas difractivas tienen una baja eficiencia energética. En realidad, esta percepción surge durante el proceso de lograr la expansión pupilar bidimensional, donde la guía de ondas difractiva necesita dividir la energía luminosa en muchas partes y distribuirla uniformemente en cada posición de la pupila de salida. Como resultado, la energía por unidad de superficie se reduce naturalmente. Sin embargo, si recogiéramos todos los rayos de luz de la guía de ondas difractivas en el ojo, encontraríamos que su eficiencia energética en realidad no es baja.

Por tanto, la razón principal de la baja eficiencia energética percibida de las guías de ondas difractivas es la expansión de la pupila. Sin embargo, la expansión es una característica importante de las guías de ondas difractivas y, como se mencionó anteriormente, ofrece numerosas ventajas. Por tanto, es fundamental maximizar la eficiencia energética manteniendo un cierto nivel de expansión pupilar.

02 Tres direcciones principales de optimización para guías de onda difractivas

1. Optimización de la eficiencia de la difracción de la luz

Como se mencionó anteriormente, muchas personas perciben que las guías de ondas difractivas tienen una baja eficiencia energética. Para abordar este problema, es necesario mejorar la eficiencia energética optimizando la eficiencia de difracción de la luz manteniendo un cierto nivel de expansión de la pupila.

Dado que el tamaño característico de las rejillas a nanoescala es comparable a la longitud de onda de la luz, es esencial tratar la luz no como rayos ordinarios sino como ondas electromagnéticas durante la propagación. Cuando la luz incide en la rejilla, se divide en varias direcciones diferentes (órdenes de difracción) e, inevitablemente, parte de la energía luminosa se pierde en el proceso.

Para garantizar que la mayor parte de la energía luminosa se acople a la guía de ondas difractiva, normalmente seleccionamos un orden de difracción específico distinto de cero (que cumpla con las condiciones de reflexión interna total) como orden de funcionamiento de la guía de ondas difractiva. Al controlar con precisión parámetros como el período de la rejilla, el ciclo de trabajo, la profundidad de la ranura y el ángulo de la pared lateral, podemos optimizar la eficiencia de difracción de la luz, concentrando la mayor parte de la energía luminosa en este orden de trabajo. Esto, a su vez, mejora la eficiencia energética y permite un mayor brillo de la imagen.

2. Optimización de la eficiencia de difracción para diferentes ángulos de incidencia

Otro factor importante a considerar al optimizar la rejilla es el impacto del ángulo de incidencia de la luz en la eficiencia de difracción.

Dado que la imagen proyectada por el motor óptico forma una superficie luminosa, la luz procedente de diferentes posiciones de esta superficie entra en la guía de ondas difractiva en distintos ángulos. Para las guías de ondas difractivas, diferentes ángulos de incidencia dan como resultado diferentes eficiencias de difracción, lo que genera inconsistencias en el brillo general de la imagen.

Por lo tanto, además de optimizar la eficiencia de difracción para un orden de difracción específico, también es esencial optimizar la eficiencia de difracción de la luz en varios ángulos incidentes para garantizar un brillo uniforme.

3. Optimización de la eficiencia de difracción para diferentes longitudes de onda

Los diferentes colores de luz tienen diferentes longitudes de onda, lo que afecta su eficiencia de difracción. Además, las diferentes longitudes de onda dan como resultado diferentes ángulos de difracción, lo que significa que durante el proceso de expansión de la pupila, la frecuencia de interacción de los diferentes colores de luz con la rejilla de acoplamiento también variará. Estos dos factores dificultan que cada color de luz entre al ojo con proporciones de energía iguales, lo que genera problemas con la uniformidad del color. Por lo tanto, es difícil lograr una buena uniformidad de color en imágenes utilizando una guía de ondas difractiva de una sola capa.

Para garantizar que la luz de diferentes longitudes de onda salga con proporciones de energía iguales, normalmente se emplea un apilamiento multicapa (dos capas o más) de guías de ondas difractivas. Cada capa de la guía de ondas difractiva está optimizada para controlar y mejorar la energía para un rango de longitud de onda específico y al mismo tiempo suprimir la interferencia entre las capas. Este enfoque garantiza que la luz de diferentes longitudes de onda finalmente ingrese al ojo con proporciones de energía iguales, mejorando la uniformidad del color y mostrando imágenes normales y vibrantes.

03 Resumen

Por un lado, las guías de ondas difractivas tienen dos funciones principales: transferencia isométrica de imágenes y expansión pupilar bidimensional. Basándose en estas funciones, permiten que las gafas AR sean livianas y delgadas y, al mismo tiempo, se adapten a una gama más amplia de usuarios, brindando una fuerte sensación de inmersión y una excelente experiencia visual. Además, la integración de procesos de semiconductores mejora la capacidad de fabricación de guías de ondas difractivas, sentando una base sólida para que las gafas AR ingresen al mercado de consumo.

Por otro lado, como tecnología de visualización principal para gafas AR, las guías de ondas difractivas ofrecen un gran potencial pero también presentan una complejidad significativa. La optimización de la eficiencia de la difracción debe considerarse desde múltiples aspectos, incluidos los órdenes de difracción, los ángulos de incidencia y las longitudes de onda.

Con avances continuos en tecnología y una mayor optimización del rendimiento, las guías de ondas difractivas AR están preparadas para llevar las gafas AR a los hogares, brillando intensamente en la era del metaverso.