از بازتاب کامل داخلی تا موجبرهای SiC: چگونه عینک‌های واقعیت افزوده از گلوگاه‌های اپتیک نمایشگر عبور می‌کنند

یکی از موانع فنی اصلی برای عینک‌های AR، صرفاً خود میکرو نمایشگر نیست، بلکه نحوه استفاده از موجبرهای نوری برای دستیابی به یک پوشش با کیفیت بالا از تصاویر مجازی بر روی دنیای واقعی در داخل لنزهای شفاف است.

موجبرهای نوری باید نور را از یک سر به سر دیگر در ضخامت تنها چند میلی متر منتقل کنند، در حالی که به طور همزمان از خروجی نور یکنواخت و تحویل دقیق به چشم انسان اطمینان حاصل کنند. این صرفاً یک 'بسط صفحه' نیست، بلکه یک شاهکار مهندسی نوری است که نیاز به کنترل دقیق بر انتشار نور دارد - فرآیندی که زیربنای کاوش مداوم در مواد، پراش، پلاریزاسیون و الگوریتم‌های نوری پیچیده است.

بازتاب داخلی کل: اصل اساسی انتقال نور در موجبرها.

چرا یک ورق صاف معمولی و شفاف می تواند نور را از یک سر به سر دیگر بدون هیچ نشتی منتقل کند؟ پاسخ در اصل موجود در کتاب های درسی فیزیک دبیرستان نهفته است: بازتاب درونی کل (TIR).

هنگامی که نور از محیطی با ضریب شکست بالاتر به محیطی با ضریب شکست پایین تر حرکت می کند و زاویه تابش از زاویه بحرانی بیشتر می شود، نور در سطح مشترک شکست نمی خورد. در عوض، تحت انعکاس کلی داخلی قرار می گیرد و به محیط با ضریب شکست بالا بازتاب می شود.

موجبرهای نوری AR از این اصل استفاده می‌کنند: یک پرتو تصویری که توسط یک نمایشگر میکرو ساطع می‌شود، توسط یک سیستم نمایش همسو می‌شود و از طریق یک ناحیه جفت ورودی در یک انتها وارد موجبر می‌شود. از طریق انعکاس کلی داخلی در موجبر منتشر می شود و در نهایت از طریق یک ساختار کوپلینگ خروجی در انتهای دیگر استخراج می شود و نور را به چشم کاربر هدایت می کند. تفاوت در ضریب شکست بین بستر موجبر و هوای اطراف، نور را محدود می‌کند و به آن اجازه می‌دهد در ورقه نازک شیشه یا رزین منتشر شود.

با این حال، بازتاب داخلی کل یک محدودیت قابل توجه را تحمیل می کند: انتشار نور در موجبر دلخواه نیست. فقط نوری که شرایط زاویه ای خاص را دارد می تواند به طور پایدار منتشر شود. اگر نور از محدوده پشتیبانی شده خارج شود، ممکن است نشت رخ دهد. این محدودیت انتشار مستقیماً بر میدان دید (FOV) عینک‌های AR تأثیر می‌گذارد - یعنی محدوده زاویه‌ای که تصویر مجازی میدان دید کاربر را پوشش می‌دهد. این یک محدودیت فیزیکی است که می‌تواند دقیقاً با یک فرمول توصیف شود. با فرض اینکه یک میکرو پروژکتور یک پرتو نور را به یک موجبر متصل می کند - جایی که ضریب شکست محیط موجبر n و هوا 1 است - حداکثر میدان دید پشتیبانی شده برای ریز پروژکتور منفرد موارد زیر را برآورده می کند:

وقتی ضریب شکست (n) 1.5 باشد، میدان دید نظری (FOV) حدود 30 درجه است. در n = 1.75، محدوده نظری به حدود 48 درجه افزایش می یابد. و با نزدیک شدن n به 2، از نظر تئوری می تواند تا حدود 60 درجه گسترش یابد. این یک دلیل کلیدی است که چرا FOV عینک‌های AR عموماً برای سال‌ها در محدوده 30-40 درجه باقی مانده است: فراتر از محدودیت‌های معماری نوری، ضریب شکست ماده عاملی حیاتی است که بر گسترش FOV تأثیر می‌گذارد.

با این حال، باید توجه داشت که FOV در یک سیستم AR واقعی صرفاً توسط ضریب شکست تعیین نمی‌شود. همچنین تحت تأثیر ترکیبی از عوامل، از جمله دیافراگم عددی (NA) نمایشگر میکرو، طراحی موتور نوری، ساختار موجبر، روش انبساط مردمک، و یکنواختی نوری است.

میدان دید طبیعی (FOV) یک چشم انسان تقریباً 160 درجه × 130 درجه است، با همپوشانی افقی دوچشمی بیش از 120 درجه. سیستم‌های واقعیت افزوده فعلی، با FOV‌ها در محدوده تنها چند ده درجه، هنوز به طور قابل‌توجهی از میدان دید طبیعی چشم انسان فاصله دارند و فضایی برای بهبود پوشش تصاویر مجازی باقی می‌گذارند. در نتیجه، کاوش در موادی با ضریب شکست بالاتر، بهینه سازی ساختارهای موجبر و افزایش کارایی سیستم به جهت های کلیدی در توسعه اپتیک AR تبدیل شده است.

سیلیکون کاربید: اکتشافات جدید در مواد با ضریب شکست بالا

در سال‌های اخیر، کاربید سیلیکون (SiC) به عنوان یک ماده با ضریب شکست بالا و مورد توجه قابل توجهی در زمینه اپتیک AR ظاهر شده است. با ضریب شکست تقریباً 2.6-2.7، مزایای متمایزی را نسبت به شیشه های نوری سنتی و مواد رزین ارائه می دهد. از نظر تئوری، ضریب شکست بالاتر، دامنه زاویه‌ای انتشار نور را که توسط موجبر پشتیبانی می‌شود، گسترش می‌دهد، و یک گزینه ماده جدید برای نمایشگرهای AR با میدان دید وسیع ارائه می‌کند. تلاش‌های تحقیقاتی و اعتبارسنجی در مورد راه‌حل‌های موجبر بر اساس مواد با ضریب شکست بالا نیز به‌طور پیوسته در حال پیشرفت هستند. به عنوان مثال، نمونه اولیه متا اوریون پتانسیل دستیابی به میدان دید وسیع را با استفاده از موجبرهای SiC نشان داد، که وعده مواد با ضریب شکست بالا در بخش نمایشگر AR را برجسته کرد.

با این حال، مواد با ضریب شکست بالا تنها راه حل برای هر چالش نوری نیستند. برای موجبرهای نوری پراش، یک مسئله قدیمی ظاهر مصنوعات رنگین کمان است: هنگامی که نور محیط (مانند نور خورشید) به توری پراش روی سطح موجبر برخورد می کند، نور با طول موج های مختلف درجات مختلفی از پراکندگی را تجربه می کند و در نتیجه حاشیه های رنگی روی میدان دید قرار می گیرد. مواد با ضریب شکست بالا می‌توانند ویژگی‌های انتشار نور را در موجبر تغییر دهند و بهینه‌سازی طرح‌های ساختاری انکساری را تسهیل کنند، در نتیجه تاثیر مصنوعات رنگین کمان را کاهش دهند.

تیمی از دانشگاه Westlake یافته‌های تحقیقاتی را بر روی موجبرهای انکسار مبتنی بر مواد SiC، دستیابی به پیشرفت در کوچک‌سازی، راندمان نوری بالا و کاهش مصنوعات رنگین کمان نشان داده‌اند و در نتیجه راه‌های جدیدی را برای توسعه موجبرهای با ضریب شکست بالا باز می‌کنند.

علاوه بر این، SiC دارای رسانایی حرارتی بالایی است. در حالی که رسانایی حرارتی SiC تک کریستالی ایده آل می تواند به حدود 490 W/(m·K) برسد - رقمی که معمولاً در دستگاه های موجبر ساخته شده به دلیل عواملی مانند نقص شبکه، تکنیک های پردازش و ساختار مواد کاهش می یابد - به طور قابل توجهی بالاتر از شیشه های معمولی باقی می ماند. این بدان معناست که SiC مزایای مدیریت حرارتی متمایز را برای سیستم‌های نمایشگر AR با روشنایی بالا ارائه می‌کند و به افزایش پایداری کلی سیستم کمک می‌کند.

با این حال، ضریب شکست بالا نیز چالش های تولیدی را ایجاد می کند. به دلیل سختی بالای SiC، روش‌های ماشین‌کاری سنتی برای برآوردن الزامات ساخت نانوساختارهای پیچیده تلاش می‌کنند. کاربردهایی که شامل موجبرهای پراش می‌شوند، نیازمند فرآیندهایی مانند اچینگ با دقت بالا برای ایجاد ساختارهای نانومقیاس بر روی سطح ماده هستند. در حال حاضر، موجبرهای SiC در حال گذار از اعتبارسنجی تجربی به صنعتی شدن هستند. مسائل مربوط به هزینه، راندمان پردازش، و قابلیت های تولید انبوه باید مورد توجه قرار گیرند.

از 'خط' به 'سطح': یک جهش بعدی در انبساط مردمک خروجی

هنگامی که نور وارد موجبر شد، چالش بعدی خروجی یکنواخت آن در حالی است که دامنه حرکت چشم انسان را پوشش می دهد. مردمک خروجی پرتو نور تولید شده توسط یک میکرو نمایشگر معمولاً فقط چند میلی متر اندازه دارد. با این حال، از آنجایی که چشم در حین استفاده به طور طبیعی حرکت می کند، مردمک خروجی محدود باید برای ایجاد یک ناحیه 'جعبه چشم' مناسب برای مشاهده گسترش یابد. این فرآیند به عنوان Exit Pupil Expansion (EPE) شناخته می شود.

موجبرهای نوری هندسی: طراحی دقیق آرایه های آینه ای

موجبرهای نوری هندسی از مجموعه ای از آینه های نیمه بازتابنده تعبیه شده برای توزیع تدریجی انرژی نور در سطوح مختلف بازتابی استفاده می کنند. همانطور که نور با هر سطح بازتابنده برخورد می کند، بخشی از انرژی به خارج از موجبر و به چشم کاربر منعکس می شود، در حالی که باقیمانده به انتشار در موجبر ادامه می دهد. کنترل دقیق نسبت انتقال به بازتاب این سطوح، انبساط پرتو در امتداد یک بعد را امکان پذیر می کند.

موجبرهای هندسی آرایه‌ای دو بعدی پیشرفته‌تر، دو مجموعه از آرایه‌های سطحی تقسیم پرتو را در جهت‌های مختلف برای دستیابی به انبساط نور در ابعاد افقی و عمودی ترکیب می‌کنند. این 'جعبه چشم' را در دو بعد گسترش می دهد و در نتیجه تحمل موقعیت هدست را افزایش می دهد. برخی از طرح‌های موجبر آرایه دوبعدی می‌توانند از طریق بهینه‌سازی ساختاری، به میدان دیدی با گستره ده‌ها درجه دست یابند و در عین حال ضخامتی را در محدوده میلی‌متری حفظ کنند.

موجبرهای هندسی معمولاً کیفیت تصویربرداری و عملکرد رنگی عالی را همراه با خطر کمتر مصنوعات رنگین کمان ارائه می دهند. با این حال، ساختارهای نیمه بازتابنده/نیمه انتقال دهنده چند لایه آنها الزامات سختگیرانه ای را در مورد دقت پوشش، تراز ساختاری و سازگاری تولید تحمیل می کند. در نتیجه، پیچیدگی فرآیند و هزینه‌های تولید، زمینه‌هایی برای بهینه‌سازی مداوم باقی می‌ماند.

موجبرهای نوری پراش و گریتینگ های تسکین سطحی: فناوری کنترل نور در مقیاس نانو

موجبرهای نوری پراشی رویکرد کاملا متفاوتی را به کار می گیرند: به جای تعبیه بازتابنده ها در موجبر، ساختارهای دوره ای نانومقیاس - به طور خاص، توری های تسکین سطحی (SRGs) - بر روی سطح موجبر یا در ساختار آن ساخته می شوند. SRGها معمولاً با استفاده از فرآیندهایی مانند لیتوگرافی با پرتو الکترونی، لیتوگرافی نانو اثر، یا اچینگ پرتو یونی برای تشکیل الگوهای توری فیزیکی روی سطح موجبر، با ابعاد مشخصه از ده‌ها تا صدها نانومتر ایجاد می‌شوند.

اصل عملیات اصلی SRG را می توان با معادله گریتینگ توصیف کرد:

شکل زیر شماتیکی از ساختار یک توری شیب دار معمولی در نرم افزار OAS را نشان می دهد. با طراحی دوره توری، چرخه کار، عمق و زاویه شیب، راندمان پراش برای طول‌موج‌های مختلف و مرتبه‌های پراش را می‌توان دقیقاً کنترل کرد.

در موجبرهای AR، یک SRG معمولاً شامل سه ناحیه عملکردی اصلی است:

· گریتینگ درون کوپلینگ: مسئول جفت پرتو نور همسو شده ساطع شده توسط موتور ریز پروجکشن به موجبر است و اطمینان حاصل می کند که شرایط انتشار بازتاب داخلی کامل را دارد.

توری چرخشی (شبکه انبساط): جهت انتشار نور را تغییر می دهد - معمولاً نور منتشر شده به صورت افقی را به جهت عمودی هدایت می کند تا به انبساط مردمک یک بعدی برسد.

· توری کوپلینگ بیرونی: به طور یکنواخت نور را از موجبر استخراج می کند و برای تولید نمایشگر به چشم کاربر هدایت می کند.

این معماری «سه گریت» موجبرهای پراشی را قادر می‌سازد تا به انبساط مردمک خروجی دوبعدی با ساختاری نسبتاً ساده دست یابند و در عین حال نمایه نوری باریکی را حفظ کنند، و آن را به یک جهت کلیدی فناوری برای عینک‌های AR درجه یک مصرف‌کننده تبدیل می‌کند. در مقایسه با موجبرهای هندسی، موجبرهای پراشی مزایایی مانند سبک وزن، ضریب فرم نازک و انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی را ارائه می‌دهند. برخی از طرح ها می توانند ضخامت هایی در محدوده میلی متر یا حتی زیر میلی متر داشته باشند.

ابزارهای طراحی و بهینه سازی SRG: از آنجایی که ابعاد سازه های گریتینگ با طول موج نور قابل مقایسه است، روش های اپتیک هندسی سنتی نمی توانند رفتار نوری آنها را به دقت توصیف کنند. در نتیجه، روش‌های شبیه‌سازی الکترومغناطیسی مانند آنالیز دقیق موج جفت شده (RCWA) مورد نیاز است. RCWA با تقسیم ناحیه توری به چندین لایه نازک و استفاده از بسط فوریه برای توصیف توزیع میدان الکترومغناطیسی عمل می کند. سپس معادلات ماکسول را حل می کند تا بازده و پاسخ پلاریزاسیون مرتبه های پراش مختلف را محاسبه کند.

با ادغام الگوریتم‌هایی مانند بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)، مهندسان می‌توانند طرح‌های برتر را در یک فضای پارامتری که توسط متغیرهایی مانند دوره توری، عمق، چرخه کار و زاویه شیب تعریف شده است، شناسایی کنند. به عنوان مثال، در مورد نور قطبش S در طول موج 550 نانومتر، بهینه‌سازی پارامتر می‌تواند بازده پراش را از حدود 56 درصد به بیش از 94.7 درصد افزایش دهد.

مزایای کلیدی SRG:

• ساختار بسیار ساده با ضخامت کمتر از 0.5 میلی متر.

• انعطاف طراحی بالا، امکان کنترل زاویه پرتو، یکنواختی و قطبش را از طریق مورفولوژی گریتینگ.

• مناسب برای تولید انبوه کم هزینه با استفاده از فناوری نانو چاپ (به عنوان مثال، برای عینک های AR درجه مصرف کننده).

چالش های ذاتی SRG ها:

• مصنوعات رنگین کمان: پراکندگی زمانی اتفاق می افتد که نور محیط (مانند نور خورشید) به توری سطح برخورد کند و حاشیه های رنگی ایجاد کند. بسترهای با ضریب شکست بالا (به عنوان مثال، SiC) می توانند این اثر را سرکوب کنند.

• پراکندگی: پراکندگی زمانی رخ می دهد که نور محیط (مانند نور خورشید) به توری سطح برخورد کند و حاشیه های رنگی ایجاد کند. بسترهای با ضریب شکست بالا (به عنوان مثال، SiC) می توانند این اثر را سرکوب کنند.

راندمان نوری پایین: راندمان پراش تک گذری معمولاً 10 تا 30 درصد است. بهره وری کلی نیاز به بهبود از طریق بهینه سازی پروفایل گریتینگ یا طرح های آبشاری دارد.

• حساسیت قطبش: SRGها به طور قابل توجهی پاسخ‌های متفاوتی را به حالت‌های پلاریزاسیون مختلف نشان می‌دهند، که استفاده از منابع نور پلاریزه یا دستگاه‌های تبدیل پلاریزاسیون را ضروری می‌سازد.

بنابراین، توسعه موجبرهای نوری پراش نه تنها بر دستیابی به ساختارهای نازک‌تر، بلکه بر ایجاد تعادل بهتر بین بازده نوری، یکنواختی، میدان دید (FOV) و سازگاری محیطی تمرکز دارد.

تعادل فیزیکی بین کارایی و یکنواختی

موجبرهای نوری پراش مدت طولانی است که با یک تضاد اساسی روبرو بوده اند: افزایش روشنایی صفحه نمایش مستلزم افزایش بازده جفت گریتینگ است. با این حال، راندمان بالاتر می تواند منجر به افزایش پراش انگلی و نشت انرژی - به ویژه با میدان دید وسیع - شود که در نتیجه یکنواختی نمایش را به خطر می اندازد. برعکس، اولویت دادن به یکنواختی تا حد زیادی ممکن است به قیمت بازده نوری کلی تمام شود. این تضاد بین کارایی و یکنواختی از پاسخ غیرفعال گریتینگ های معمولی به حالت های پلاریزاسیون و مسیرهای انتشار ناشی می شود.

در سال‌های اخیر، توری‌های هولوگرافیک حجم پلاریزاسیون (PVGs) راه جدیدی برای بهینه‌سازی ارائه کرده‌اند. بر خلاف توری های برجسته سطحی، PVG ها از یک ساختار ضریب شکست دوره ای که در داخل ماده از طریق تداخل هولوگرافی شکل می گیرد برای تعدیل انتشار نور استفاده می کنند. تحقیقات نشان داده است که، تحت شرایط خاص، PVGها می‌توانند از مکانیسم‌های تبدیل پلاریزاسیون برای افزایش کارایی انتشار نور و کاهش تلفات انرژی ناشی از اثرات پراش انگلی استفاده کنند. در این میان، مکانیسم تبدیل قطبی غیرعادی (APC) توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است.

با تعدیل فعال حالت قطبش نور برای هدایت انرژی نوری بیشتر در طول مسیر هدف، این مکانیسم پتانسیل افزایش کارایی جفت و یکنواختی روشنایی را دارد. با این حال، فن آوری هایی مانند PVG و APC تحت تحقیقات فعال باقی می مانند. کاربرد عملی در مقیاس بزرگ آنها نیاز به اعتبار سنجی بیشتر در مورد سیستم های مواد، فرآیندهای تولید و مقرون به صرفه بودن دارد.

نمایش میکرو و یکپارچه سازی سیستم: تعادل کلی سیستم نوری

موجبرهای نوری به عنوان 'مجرای' عمل می کنند، در حالی که موتور نوری در انتهای جلو - نمایشگر میکرو - روشنایی، کنتراست و رنگ را تعیین می کند. در حال حاضر، مسیرهای فناوری میکرو نمایشگر اولیه که در زمینه نمایشگرهای نزدیک چشم AR مورد بررسی قرار می گیرند، عبارتند از Micro-OLED، LCoS/DLP و Micro LED.

Micro-OLED: یک راه حل نسبتاً بالغ نمایشگر نزدیک چشم

کنتراست بسیار بالا (در محدوده میلیون ها به یک) و بالاترین سطح بلوغ را ارائه می دهد. درخشندگی معمولی در چشم بین 1000 تا 1250 نیت است که خوانایی اولیه را در محیط‌های با روشنایی متوسط ​​ارائه می‌کند، اگرچه عملکرد در نور قوی در فضای باز ناکافی است. در حالی که برخی از نمونه‌ها می‌توانند به حداکثر میزان روشنایی ده‌ها هزار نیت دست یابند، مصرف برق و طول عمر فاکتورهای محدودکننده هستند.

LCoS/DLP: رویکرد با روشنایی بالا، اما با چالش‌هایی در مورد کوچک‌سازی.

این سیستم‌ها که قادر به دستیابی به سطوح روشنایی ده‌ها هزار نیت هستند، دارای موتورهای نوری حجیم (4 تا 6 سی‌سی) و نیازهای مدیریت حرارتی بالا هستند که دستیابی به یک فاکتور باریک و سبک وزن را دشوار می‌کند.

میکرو LED: یک نامزد کلیدی برای نمایشگرهای AR آینده

با روشنایی تئوری بیش از 100000 نیت، حجم کمتر از 0.5 سی سی و طول عمر بیش از 100000 ساعت - در کنار سازگاری برتر با موجبرهای SiC - به عنوان راه حل نهایی در نظر گرفته می شود. با این حال، بازده انتقال جرم برای نمایشگرهای تمام رنگی همچنان گلوگاه مهندسی اولیه است و قابلیت‌های فعلی هنوز الزامات تولید انبوه مصرف‌کننده را برآورده نمی‌کند.

علاوه بر این، مبادلات بین میدان دید (FOV)، جعبه چشم، ضخامت موجبر، راندمان کوپلینگ و مصرف انرژی، طراحی نوری AR را شبیه به حل یک مشکل بهینه‌سازی در فضای پارامتر با ابعاد بالا می‌کند. این توضیح می‌دهد که چرا عینک‌های AR که واقعاً الزامات درجه مصرف‌کننده را برآورده می‌کنند، هنوز مورد استفاده گسترده قرار نگرفته‌اند: چالش در امکان‌سنجی هیچ فناوری واحدی نیست، بلکه در دستیابی به سطح برتر تعادل جامع در کل سیستم است.

پیشرفت هم افزایی اپتیک AR از طریق مسیرهای فنی متعدد

فناوری موجبر نوری AR در حال حاضر در حال تکامل مداوم است. از یک طرف، مواد با ضریب شکست بالا راه های جدیدی برای گسترش میدان دید و بهینه سازی عملکرد نوری ارائه می دهند. از سوی دیگر، فناوری هایی مانند PVG و کنترل پلاریزاسیون به مبادله بین بازده نوری و یکنواختی در موجبرهای پراش می پردازند. در همین حال، توسعه فناوری‌های در حال ظهور میکرو نمایشگر مانند MicroLED، تکامل سیستم‌های واقعیت افزوده را به سمت روشنایی بالاتر و عوامل فرم فشرده‌تر سوق خواهد داد.

سناریوهای کاربردی مختلف الزامات مختلفی را در مورد میدان دید، وزن، هزینه، عمر باتری و کیفیت نمایش تحمیل می کنند. در نتیجه، بازار عینک AR آینده احتمالاً شاهد همزیستی چندین راه حل فنی خواهد بود.

از بازتاب داخلی کلی گرفته تا مواد با ضریب شکست بالا، و از ساختارهای بازتابی هندسی و توری‌های پراش تا فناوری هولوگرافی حجمی پلاریزاسیون، تکامل موجبرهای نوری اساساً یک تلاش مداوم برای کنترل انتشار نور با دقت بیشتر است. هر پیشرفت فناوری نشان دهنده پیشرفتی در مرزهای خواص مواد، طراحی نوری و فرآیندهای ساخت است.

در آینده، با همگرایی بیشتر سیستم‌های نوری، فناوری‌های میکرو نمایشگر و قدرت محاسباتی، عینک‌های AR به هدف طبیعی‌تر، سبک‌تر و مناسب‌تر برای استفاده در تمام روز نزدیک‌تر می‌شوند. موجبرهای نوری به عنوان یک فناوری هسته حیاتی باقی خواهند ماند که تجربه نمایش عینک های AR را تعیین می کند.

منبع: گردآوری شده توسط Wuhan Eryuan Technology و Aibang Zhizao