رویکردی جدید برای موجبرهای واقعیت افزوده: منطقه بندی مبتنی بر قطبش یکنواختی روشنایی نمونه اولیه را تا 70 درصد افزایش می دهد

موجبرهای موجود در عینک AR به حاشیه خاصی برای حرکت چشم نیاز دارند - مفهومی که به 'جعبه چشم' معروف است. با این حال، جعبه چشم بزرگتر به این معنی است که نور تابیده شده در ناحیه وسیع تری توزیع می شود، در حالی که مردمک کاربر فقط بخش کوچکی از آن را می گیرد. صرفاً افزایش قدرت موتور سبک منجر به مصرف انرژی بیشتر و بار حرارتی بیشتر می شود. آیا می توان محدوده عملکردی جعبه چشم را حفظ کرد در حالی که فقط ناحیه خاصی را که واقعاً در هر لحظه مورد نیاز است روشن کرد؟

مقاله‌ای توسط نیلسن و همکاران، که در تحقیقات فوتونیک پیشرفته در سال 2026 منتشر شد، رویکرد خاصی را پیشنهاد می‌کند: تقسیم ناحیه استخراج مردمک خروجی به مناطقی که به حالت‌های قطبش دایره‌ای مختلف پاسخ می‌دهند، و استفاده از قطبش ورودی برای انتخاب اینکه کدام ناحیه فعال است. این روش به جای روشن کردن کل جعبه چشمی بزرگ به طور همزمان، از 'جعبه‌های چشمی کوچکتر قابل تعویض' برای پوشش یک محدوده بزرگتر و قابل استفاده استفاده می‌کند.

زیان در گسترش سنتی مردمک خروجی کجا رخ می دهد؟

در سیستم های نمایش نزدیک چشم (NED)، یک موجبر معمولاً تصویری را از یک موتور نوری از طریق یک جفت کننده ورودی دریافت می کند. سپس نور قبل از اینکه توسط یک جفت کننده خروجی به سمت چشم کاربر هدایت شود از طریق انعکاس داخلی کامل (TIR) ​​از طریق موجبر پخش می شود. برای اطمینان از اینکه میدان دید کامل حتی زمانی که چشم تغییر موقعیت می دهد قابل مشاهده است، جفت کننده خروجی باید مردمک خروجی را در یک منطقه بزرگتر تکرار کند. چالش این است که هر بار که یک پرتو نور با جفت کننده خروجی تعامل می کند، ممکن است بخشی از انرژی آن استخراج شود. در نتیجه، با انتشار نور، انرژی کمتری برای بخش‌های بعدی کوپلر خروجی در دسترس باقی می‌ماند که می‌تواند منجر به شیب روشنایی قابل‌توجهی در سراسر جعبه چشم شود.

این مقاله به بررسی توری های حجمی پلاریزاسیون (PVGs) مورد استفاده به عنوان کوپلرهای بیرونی می پردازد. PVG ها بر اساس دست بودن نور قطبی دایره ای گزینش پذیری را نشان می دهند. نویسندگان آن چیزی را که در غیر این صورت یک ناحیه منفرد خارج از جفت خواهد بود - که کل وسعت جعبه چشم را پوشش می دهد - به دو بخش با طول مساوی تقسیم می کنند: یکی به نور قطبی شده دایره ای چپ (LCP) و دیگری به نور قطبی شده دایره ای راست (RCP) پاسخ می دهد. با تغییر قطبش ورودی، نور در امتداد مسیرهای درون کوپلینگ و کوپلینگ خاص هدایت می شود و تنها نیمه منطقه انتخاب شده را روشن می کند.

مهم است که بین دو مفهوم که به راحتی اشتباه گرفته می شوند تمایز قائل شویم: محدوده کل آدرس پذیر و منطقه روشن شده در هر لحظه. در حالی که ترکیب دو بخش طول اصلی جعبه چشم را پوشش می دهد، تنها یک بخش در هر زمان فعال است. برای یک محصول کاربردی، فعال کردن منطقه روشن برای ردیابی مردمک به فناوری ردیابی چشم همراه با سوئیچینگ قطبی کنترل شده الکترونیکی نیاز دارد. نمونه اولیه ارائه شده در مقاله چنین سیستم حلقه بسته ای را شامل نمی شود. در عوض، برای سوئیچینگ پلاریزاسیون دستی به یک پلاریزه کننده خطی و یک صفحه موج چهارم متکی است.

چگونه یک مقاله تحقیقاتی را تأیید کنیم؟

نویسندگان ابتدا با استفاده از OpticStudio، یک طرح خروجی تمام قد را با یک طراحی دو ناحیه ای مقایسه کردند. شبیه‌سازی اولیه از یک پرتو مستطیل شکل هماهنگ شده 550 نانومتری، یک موجبر به طول 55 میلی‌متر و ضخامت 1 میلی‌متر (ضریب شکست 1.8)، و یک برون‌کوپلر با دوره‌ای 400 نانومتر استفاده کرد. مساحت کل خروجی دو منطقه ای با مساحت نسخه تمام قد یکسان بود. یکنواختی جعبه چشم برای پرتو میدان دید مرکزی از 35.8٪ به 69.4٪ بهبود یافته است. در این مقاله، یکنواختی به عنوان نسبت حداقل شدت به حداکثر شدت در منطقه نمونه برداری شده، که به صورت درصد بیان می شود، تعریف می شود. بازده نوری کلی سیستم را نشان نمی دهد.

متعاقباً، نویسندگان یک نمونه اولیه دو منطقه ای ساختند و آن را با یک برون کوپلر تمام قد به طول 15 میلی متر مقایسه کردند. طراحی دو ناحیه ای شامل دو بخش به طول 7.5 میلی متر بود که هر کدام به قطبش دایره ای مخالف پاسخ می دادند. آزمایش با لیزر 532 نانومتر در بروز معمولی نشان داد که برای نمونه‌هایی با راندمان پراش پایین‌تر، یکنواختی از 44.0 درصد به 70.1 درصد بهبود یافته است، با توان کل به ترتیب 9.11 میکرووات و 9.85 میکرووات، که در دیافراگم تقریباً 6 میلی‌متر × 15 اندازه‌گیری شده است. در حالی که این نتایج این ادعا را تأیید می کند که 'پارتیشن بندی یکنواختی را بهبود می بخشد'، مقادیر توان کل برای دو نوع نمونه صرفاً قابل مقایسه است. بنابراین، بیان اینکه دو برابر شدن روشنایی به طور تجربی تأیید شده است، نادرست است.

نویسندگان همچنین ترکیب مواد کریستال مایع را تنظیم کردند و راندمان پراش گریتینگ های بیرونی را از حدود 60.5٪ به 74٪ افزایش دادند. برای نمونه های تمام طول و دو منطقه مربوطه، مقادیر یکنواختی به ترتیب 15.9٪ و 38.8٪ بود، در حالی که توان کل اندازه گیری شده در جعبه چشم 10.52 میکرووات و 11.01 میکرووات بود. افزایش نسبت برون کوپلینگ باعث می شود که بخش بزرگتری از نور زودتر از موجبر خارج شود. در نتیجه، افزایش توان کل می تواند با کاهش یکنواختی فضایی همزمان باشد. رویکرد دو منطقه ای این مبادله را کاهش می دهد، اگرچه آن را به طور کامل حذف نمی کند. این مقاله همچنین طراحی و شبیه‌سازی یک سیستم انبساط خروجی مردمک چهار منطقه‌ای دو بعدی را ارائه می‌کند. در یک مدل جداگانه با استفاده از نور هماهنگ شده 532 نانومتر، یکنواختی از 19.2٪ به 51.2٪ بهبود یافته است. از آنجایی که پیکربندی چهار منطقه به طور تجربی تأیید نشده است، این رقم را نمی توان در همان سطح شواهدی با نتایج اندازه گیری شده از نمونه اولیه دو منطقه ای فوق الذکر قرار داد.

روشنایی و جعبه چشم: فراتر از یک ضریب بزرگنمایی

نویسنده از یک مدل تک بعدی ساده شده برای نشان دادن این پتانسیل استفاده می کند: با فرض 20% راندمان جفت خارج در هر برهمکنش - با 10 اندرکنش در یک منطقه خارج جفت تمام قد در مقابل 5 در یک منطقه نیمه طول - یکنواختی محاسبه شده برای ناحیه نیم طول و تقریباً 41% یکنواختی برای منطقه کامل 41% است. با افزایش بیشتر راندمان کوپلینگ بیرونی ناحیه نیمه طول، از نظر تئوری می توان توان کل قابل مقایسه با منطقه تمام قد را از یک منطقه روشن کوچکتر استخراج کرد که در نتیجه شدت نور محلی تقریباً دو برابر بیشتر می شود.

با این حال، این افزایش 'دو برابری' به جای افزایش تجربی اندازه گیری شده در روشنایی برای یک نمونه اولیه فیزیکی، یک حد بالایی را نشان می دهد که از یک مدل ایده آل به دست آمده است. در واقع، کارایی یک PVG (گریتینگ حجم قطبش) با طول موج، زاویه و حالت پلاریزاسیون متفاوت است. علاوه بر این، رانش قطبی در حین انتشار و تلفات در سطح مشترک بین لایه ها نیز می تواند نتیجه را تغییر دهد. مهمتر از آن، اگر ناحیه کوچکتری انتخاب شود، اگر چشم کاربر به سمت مرز یا ناحیه دیگری تغییر کند، سیستم باید به صورت پویا تغییر کند. اگر هر دو منطقه به طور همزمان روشن شوند، توان موجود باید بین آنها توزیع شود. در نتیجه، ادعای 'گسترش' جعبه چشم و 'افزایش' روشنایی - همانطور که در عنوان مقاله پیشنهاد شده است - باید به عنوان دو امکان طراحی متمایز ارائه شده توسط معماری درک شود، نه مزایایی که می توان به طور همزمان و بدون قید و شرط به دست آورد.

هنوز چه چیزی برای تبدیل این عینک به یک عینک لازم است؟

برای طراحان سیستم، ارزش این مقاله صرفاً در استفاده از نوع متفاوتی از گریتینگ نیست، بلکه در تغییر رویکرد به گسترش مردمک خروجی است: حرکت از «نورسازی غیرفعال کل منطقه» به «توزیع نور بر اساس موقعیت مردمک».

1. ردیابی چشم حلقه بسته

لازم است دقت ردیابی، تأخیر موجود در سوئیچینگ پلاریزه و تداوم تصویر در حین حرکت چشم در مناطق مختلف بررسی شود. نمونه اولیه ارائه شده در مقاله هنوز این سیستم حلقه بسته را تایید نکرده است.

2. مرزها و تداخل

مرزهای بین مناطق ممکن است میدان دید (FOV) را کوتاه کند، در حالی که مسیرهای ناخواسته به هم پیوسته می تواند منجر به نمایش تصاویر 'شبح' (نور سرگردان) در مناطق انتخاب نشده شود. اگرچه این مقاله عکس‌هایی از این تصاویر ارواح ارائه می‌کند، اما بودجه تحملی که بتواند مستقیماً برای طراحی تولید انبوه اعمال شود، ارائه نمی‌کند.

3. تمام رنگی و میدان دید وسیع

آزمایش‌ها عمدتاً بر اساس یک تنظیم تک رنگ 532 نانومتر است. دستیابی به عملکرد تمام رنگی مستلزم پرداختن به ویژگی های پراکندگی و پاسخ زاویه ای توری های حجمی پلاریزاسیون (PVGs) و منحرف کننده های فاز هندسی مورد استفاده در طراحی چهار ناحیه ای است. نویسندگان همچنین خاطرنشان می کنند که افزایش تعداد مناطق ممکن است منجر به برش FOV یا تداخل نوری شود.

4. ساخت و تراز چند لایه

نمونه اولیه دو ناحیه ای از دو موجبر با پاسخ های قطبی متمایز تشکیل شده است که با یک شکاف هوا در بین آنها به هم متصل شده اند. با افزایش تعداد مناطق، روابط فضایی بین اینکوپلرها، کوپلرهای تاشو و برون کوپلرها به طور قابل توجهی پیچیده تر می شود. هر گونه ناهماهنگی می تواند باعث جابجایی نسبی بین تصاویر تولید شده توسط مناطق مختلف شود.

بنابراین، یک نتیجه قابل اعتماد از این کار این است که، تحت شرایط تک رنگ خاص، پیکربندی نمونه اولیه، و پارامترهای اندازه گیری ارائه شده در مقاله، منطقه بندی انتخابی قطبی به طور قابل توجهی یکنواختی روشنایی جعبه چشم را بهبود می بخشد. علاوه بر این، یک طرح چهار منطقه ای دو بعدی پتانسیل گسترش حتی بیشتر را ارائه می دهد. اگر هدف یک سیستم AR پوشیدنی و تمام رنگی باشد، فاکتورهای اضافی - مانند کارایی نوری، میدان دید، تأخیر حرکت به فوتون، تداخل و تلورانس مونتاژ - نیز باید در چارچوب مشخصات جامع در سطح سیستم ارزیابی شوند.

این برای عینک های سبک وزن با هوش مصنوعی چه معنایی دارد؟

ارزش این رویکرد 'زون بندی برون کوپلینگ' در درجه اول در ارائه گزینه های مهندسی جدید برای توزیع خروجی نوری در موجبرها نهفته است، نه ارائه راه حل آماده برای ساخت و تمام رنگی. در SOTECH، هنگام ارزیابی فناوری‌های نمایش نزدیک چشم، ما همچنین توانایی آن‌ها را برای ارائه مزایای ملموس در سناریوهای استفاده در دنیای واقعی ارزیابی می‌کنیم - مانند خوانایی در زیر نور شدید فضای باز، مصرف انرژی و تولید گرما در طول سایش طولانی‌مدت، یکنواختی جعبه چشم، و تعادل ظریف بین وزن کلی دستگاه و راحتی کاربر.

برای عینک های هوش مصنوعی سبک وزن مانند عینک، SOTECH G55, تمرکز فعلی بر هم افزایی بین نوری موجبر بالغ، نمایشگرهای Micro-LED و طراحی ساختاری یکپارچه است. این تضمین می‌کند که اطلاعات - مانند زیرنویس‌ها، اعلان‌های ناوبری، یا متن تله پرومتر - در طول استفاده روزانه بدون ایجاد مانع در میدان دید طبیعی کاربر، واضح و پایدار می‌مانند. از آنجایی که فناوری‌هایی مانند ردیابی چشم، سوئیچینگ پلاریزه و کوپلینگ بیرونی منطقه‌ای به بلوغ خود ادامه می‌دهند، رویکردهای مشابه می‌تواند به چنین دستگاه‌هایی کمک کند تا تعادل دقیق‌تری بین روشنایی، بهره‌وری انرژی و کیفیت تجربه جعبه چشمی ایجاد کنند.