¿Qué es la guía de ondas difractiva AR?

La guía de ondas difractiva es una solución de visualización óptica convencional para gafas AR. Muchos dispositivos AR adoptan esta tecnología. ¿Por qué a los principales fabricantes de hardware AR les gustan tanto las guías de ondas difractivas? ¿Qué es exactamente una guía de ondas difractiva?

01 Definición de guía de ondas difractiva

Para obtener una comprensión más profunda, podemos dividir el término 'guía de onda difractiva' en dos partes: difracción y guía de onda.

Normalmente, sabemos que la luz se puede propagar de tres maneras: propagación en línea recta, reflexión y refracción. Por ejemplo, las miras infrarrojas, los periscopios y la forma en que una pajita parece doblada cuando se coloca en el agua se basan en estos tres principios. La difracción, por otro lado, es la cuarta forma en que se puede propagar la luz.

En el siglo XVII, el profesor de matemáticas italiano Francesco Grimaldi descubrió y acuñó el término 'difracción', que proviene de la palabra latina 'diffringere', que significa 'romper en pedazos'. Esto se refiere a que la dirección original de propagación de la onda se 'rompió' y se dobló en diferentes direcciones.

En sus experimentos, pasó un rayo de luz a través de dos pequeñas aberturas hasta una pantalla en una habitación oscura, observando un patrón de franjas claras y oscuras en los bordes de la proyección. Por tanto, la difracción se refiere al fenómeno físico en el que la dirección de propagación de las ondas cambia al encontrar obstáculos o rendijas.

Debido a que sólo se pueden observar efectos perceptibles de difracción cuando el tamaño de un obstáculo o el ancho de una rendija es comparable o menor que la longitud de onda de la onda, a menudo es difícil ver la difracción de la luz en nuestra vida diaria. Sin embargo, bajo ciertas condiciones especiales, podemos observarlo. Por ejemplo, el fenómeno 'gloria' que se ve en el cielo, que aparece como un halo colorido alrededor de las sombras, es el resultado de la difracción de la luz solar a través de pequeñas gotas de agua y cristales de hielo en las nubes.

Habiendo hablado de la difracción, ¿qué es exactamente una guía de ondas?

En nuestro mundo existen varios tipos de ondas, incluidas las ondas de luz, las ondas de sonido y las ondas electromagnéticas.

Una guía de ondas es un dispositivo que transmite estas ondas de un lugar a otro. Por tanto, una guía de ondas de luz es un medio o dispositivo que guía las ondas de luz a medida que se propagan.

Con una comprensión tanto de la difracción como de las guías de ondas, podemos definir una guía de ondas difractiva: en pocas palabras, es un medio que utiliza la difracción de la luz para guiar las ondas de luz a medida que viajan.

Guía de ondas difractiva

Para explicarlo mejor, una guía de ondas difractiva está diseñada para utilizar las propiedades de difracción de las rejillas para crear un 'camino de luz', permitiendo que la luz se propague a lo largo de una ruta predeterminada y guiando la luz emitida desde un sistema de microproyección hacia el ojo humano.

La rejilla difractiva, un elemento óptico con una estructura periódica, es el componente central de la guía de ondas difractiva. Según el tipo de rejilla utilizada, las guías de onda difractivas se pueden clasificar en dos tipos: guías de onda de rejilla de relieve superficial y guías de onda de rejilla holográfica de volumen.

02 Guía de ondas de rejilla de relieve superficial

Las rejillas de relieve superficial se crean 'esculpiendo' picos altos y valles bajos en la superficie de un material mediante procesos como la fotolitografía y el grabado. Esta técnica de fabricación consigue una estructura periódica que cumple con el rendimiento óptico requerido.

Estas rejillas manipulan la luz que interactúa con ellas, lo que permite una difracción y guía efectiva de la luz dentro de la guía de ondas. Las rejillas de relieve superficial se utilizan ampliamente debido a su simplicidad de fabricación y su capacidad para integrarse en diversos sistemas ópticos.

Imagen SEM de una rejilla en relieve superficial

Guía de ondas de rejilla de relieve superficial para guiar la luz emitida desde un sistema de microproyección (motor óptico) hacia el ojo humano, la luz debe pasar por los procesos de acoplamiento y desacoplamiento. Específicamente, la luz emitida por el motor óptico ingresa a la guía de ondas a través de la rejilla de entrada, se propaga a través de una reflexión interna total dentro de la guía de ondas plana y finalmente se transmite al ojo humano a través de la rejilla de salida. Las rejillas de entrada y salida utilizadas aquí son rejillas con relieve superficial.

Debido a que las características a nanoescala de la rejilla son comparables a la longitud de onda de la luz, la luz no debe considerarse rayos ordinarios, sino tratarse como ondas electromagnéticas. Cuando la luz incide en la rejilla, sufre difracción de múltiples órdenes.

Por ejemplo, si el motor óptico emite luz monocromática (como luz verde), esta luz se dividirá en varios haces que viajan en diferentes direcciones (órdenes de difracción) al golpear la rejilla de entrada. Uno de estos órdenes de difracción distintos de cero (por ejemplo, orden +1) satisfará la condición de reflexión interna total de la guía de ondas plana, permitiéndole entrar y propagarse a través de la guía de ondas mediante reflexión interna total. Este orden de difracción específico se denomina orden de funcionamiento de la guía de ondas difractiva. Al controlar con precisión parámetros como el período, el ciclo de trabajo, la profundidad de la ranura y el ángulo de la pared lateral de la rejilla, la mayor parte de la energía luminosa se puede concentrar en el orden de funcionamiento de la guía de ondas difractiva, acoplando efectivamente la mayor parte de la energía luminosa en la guía de ondas. Este proceso se conoce como proceso de acoplamiento de la guía de ondas difractiva.

En consecuencia, cuando la luz que se propaga a través de la reflexión interna total dentro de la guía de ondas difractiva encuentra la rejilla de salida, también producirá varios órdenes de difracción. Uno de estos órdenes distintos de cero saldrá de la guía de ondas difractiva en una dirección específica y posteriormente entrará en el ojo humano. Esto se conoce como proceso de acoplamiento de la guía de ondas difractiva.

Si el motor óptico emite luz de colores, además de los procesos antes mencionados, habrá otras complejidades involucradas. Debido a las distintas longitudes de onda de los diferentes colores de luz, sus eficiencias de difracción también diferirán. En consecuencia, durante la propagación, la energía de cada color de luz puede perderse en diversos grados, lo que resulta en dispersión. Al optimizar varios parámetros de la rejilla, ésta puede controlar con precisión la energía de diferentes longitudes de onda de luz, minimizando así los problemas de dispersión y, en última instancia, permitiéndonos ver imágenes con colores precisos.

Para abordar los complejos problemas de la difracción de rejillas, la empresa ha desarrollado un conjunto integral de software de cálculo para diferentes tipos de rejillas, basado en el método modal de Fourier (FMM), que puede calcular de forma rápida y precisa problemas de difracción relacionados con las rejillas.

Además, la empresa posee un centro de procesamiento maestro de rejillas totalmente equipado y un sistema completo de producción en masa para guías de ondas difractivas, logrando una estrecha coordinación entre el diseño y la fabricación. Al diseñar rejillas, se pueden tener en cuenta las capacidades de procesamiento del maestro y las técnicas de producción, lo que permite ajustes y optimizaciones oportunas cuando surgen problemas, lo que resulta en un rápido ciclo de iteración del producto.

La guía de ondas difractiva, muy preferida por los principales fabricantes de hardware AR, se refiere específicamente a la guía de ondas de rejilla de relieve superficial. Sus ventajas incluyen un diseño delgado, un gran campo de visión, un amplio rango de movimiento ocular y bajos costos de producción en masa, lo que la considera ampliamente como la ruta tecnológica de visualización principal en la industria AR.

Guía de ondas de rejilla holográfica de 03 volúmenes

El proceso de propagación de la luz en una guía de ondas de rejilla holográfica de volumen es fundamentalmente similar al de una guía de ondas de rejilla en relieve superficial.

La diferencia clave radica en cómo se crea la rejilla holográfica volumétrica. En lugar de ser 'esculpida', la rejilla holográfica de volumen se forma exponiendo una película fotorresistente sobre un sustrato a patrones de interferencia creados por dos haces de luz coherentes. Este proceso genera una distribución espacial periódica con índices de refracción variables a nivel molecular. Las rejillas holográficas de volumen normalmente funcionan en condiciones de difracción de Bragg.

¿Qué son las condiciones de difracción de Bragg?

En 1912, el científico alemán Max von Laue descubrió el fenómeno de la difracción de rayos X en cristales, sentando las bases para el estudio de la física de la difracción de rayos X. Ese mismo año, Lawrence Bragg, a través de repetidos estudios en el Laboratorio Cavendish, concluyó que este fenómeno es un tipo de efecto de difracción de ondas.

En 1913, Lawrence Bragg y su padre, Henry Bragg, propusieron conjuntamente la forma Bragg de difracción de rayos X (conocida como difracción de Bragg). Descubrieron que cuando las ondas de partículas subatómicas entran en un cristal, si la longitud de onda de las ondas de las partículas es cercana a la distancia entre los átomos en el cristal, las ondas de las partículas serán dispersadas por los átomos en forma de espejo. Esta dispersión dará como resultado una interferencia constructiva según la ley de Bragg, formando picos de ondas concentrados (conocidos como picos de Bragg). Las condiciones de Bragg son los criterios que deben cumplirse para que se produzca una interferencia constructiva.

Diagrama esquemático de la difracción de Bragg.

Basado en el principio de difracción de Bragg, cuando las ondas de luz cumplen las condiciones de Bragg, las rejillas holográficas de volumen pueden alcanzar una eficiencia de difracción muy alta. Sin embargo, las condiciones de Bragg imponen requisitos estrictos en cuanto al ángulo y la longitud de onda de la luz incidente. Si no se cumplen estas condiciones, la eficiencia de difracción puede caer rápidamente. Esto da como resultado que las guías de onda de rejilla holográficas de volumen tengan dificultades para lograr una buena uniformidad de color, lo que no cumple con las demandas del mercado.

Actualmente, las guías de onda de rejilla holográfica de volumen presentan brechas significativas en comparación con las guías de onda de rejilla de relieve superficial en términos de rendimiento de visualización, comercialización de productos y soporte industrial.

04 Resumen

Las guías de ondas difractivas AR utilizan las características de difracción de las rejillas para diseñar 'caminos de luz', permitiendo que la luz emitida por los sistemas de microproyección se dirija al ojo humano. Según el tipo de rejilla de difracción utilizada, las guías de ondas difractivas se pueden clasificar en guías de ondas de rejilla de relieve superficial y guías de onda de rejilla holográfica de volumen.

Las guías de ondas de rejilla con relieve de superficie ofrecen ventajas como ser livianas, tener un gran campo de visión, un amplio rango de movimiento ocular y bajos costos de producción en masa. En consecuencia, se los considera ampliamente como la tecnología de visualización principal en la industria de la realidad aumentada. Si bien las guías de onda de rejilla holográfica de volumen exhiben una eficiencia de difracción muy alta, luchan con la uniformidad del color debido a las estrictas condiciones de difracción de Bragg y aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo tecnológico, lo que requiere avances significativos para lograr avances.

Con los continuos avances tecnológicos y mejoras en el procesamiento, las guías de ondas difractivas AR basadas en rejillas de relieve superficial están comenzando a ingresar al mercado de consumo. Se cree que en el futuro brindarán experiencias de visualización AR excepcionales para más fabricantes de hardware AR.