چگونه فناوری موجبر پراش در نمایشگر عینک AR کار می کند

در مقاله قبلی خود، ' باعثر پراش AR چیست؟'، اصول اساسی موجبرهای پراشی را توضیح دادیم و تفاوت‌های بین موجبرهای گریتینگ تسکین سطحی و موجبرهای توری هولوگرافیک حجمی را برجسته کردیم. امروز، ما عمیق‌تر به توابع اصلی و جهت‌های بهینه‌سازی موجبرهای انکساری می‌پردازیم و در مورد اینکه چرا موجبرهای انکساری مبتنی بر توری‌های تسکین سطحی به‌عنوان فناوری اصلی نمایشگر برای عینک‌های AR در حال ظهور هستند، بحث خواهیم کرد.

01 توابع اصلی موجبرهای پراش

1. انتقال ایزومتریک تصویر

از مقالات قبلی ما، ما می دانیم که برای هدایت موج انکساری نور ساطع شده از یک سیستم ریز پروجکشن (موتور نوری) به چشم انسان، باید تحت فرآیندهای جفت شدن و جفت شدن قرار گیرد. به طور خاص، نور ساطع شده توسط موتور نوری از طریق گریتینگ کوپلینگ وارد موجبر مسطح می شود، با انعکاس کامل داخلی در داخل آن منتشر می شود و در نهایت توسط توری کوپلینگ به چشم منتقل می شود.

مهمترین جنبه این فرآیند بازتاب درونی کامل است. اما بازتاب کلی درونی دقیقاً چیست؟

انعکاس درونی کل زمانی اتفاق می‌افتد که نور از محیطی با ضریب شکست بالاتر به محیطی با ضریب شکست پایین‌تر حرکت کند و زاویه تابش بزرگ‌تر یا مساوی با زاویه بحرانی باشد. هنگامی که شرایط برای بازتاب کامل داخلی برآورده می شود، نور به طور مداوم از طریق موجبر مسطح توسط بازتاب منتشر می شود بدون اینکه به بیرون منتقل شود، در نتیجه اجازه می دهد جهت نور تغییر یابد. یک پدیده طبیعی شناخته شده ناشی از بازتاب کلی درونی، سراب است.

به طور معمول، عینک AR تصاویر را با استفاده از یک موتور نوری تولید می کند. با این حال، قرار دادن موتور نوری به طور مستقیم بر روی لنز، دید کاربر را مسدود می کند و از نظر بصری جذاب نیست. علاوه بر این، تنها با تکیه بر موتور نوری نمی توان به اثر مطلوب ادغام تصاویر مجازی و واقعی دست یافت.

با استفاده از اصل بازتاب داخلی کلی، موجبرهای پراش می‌توانند انتقال ایزومتریک تصاویری که توسط موتور نوری نمایش داده می‌شوند را انجام دهند و به موتور نوری اجازه می‌دهند در بالا یا کنار شیشه‌ها قرار گیرد. این رویکرد نه تنها از ایجاد مانع در خط دید کاربر جلوگیری می کند، بلکه به دلیل سرعت بالای انتقال نور و مشخصات نازک موجبر پراش، عینک های AR را از نظر ظاهری به عینک های معمولی نزدیک تر می کند و در عین حال به اثر مطلوب ادغام مجازی-واقعی دست می یابد.

توجه به این نکته ضروری است که موجبر پراش تنها وظیفه انتقال تصویر به چشم را بر عهده دارد و بر محتوای خود تصویر تأثیری ندارد، به این معنی که قابلیت بزرگنمایی یا کاهش اندازه تصویر را ندارد.

2. گسترش دو بعدی مردمک

راه‌حل‌های استاندارد نمایش نوری معمولاً فاقد قابلیت‌های انبساط مردمک هستند و بیننده را برای دیدن تصاویر فقط در محدوده اندازه مردمک خروجی موتور نوری (یعنی محدوده حرکت چشم) محدود می‌کند. به عنوان مثال، اگر مردمک خروجی موتور نوری φ5mm را اندازه گیری کند، کاربر فقط می تواند تصویر را در محدوده φ5mm مشاهده کند. این شبیه نگاه کردن به جهان از طریق یک روزنه است که به طور قابل توجهی غوطه وری و تجربه بصری را کاهش می دهد.

برای رفع این مشکل، موجبرهای پراش می‌توانند به انبساط مردمک دوبعدی دست یافته و مردمک خروجی را بزرگ‌تر کنند و در عین حال اندازه فشرده و میدان دید وسیعی را حفظ کنند. این به طور موثر دامنه حرکت چشم را در هر دو جهت افزایش می‌دهد، حس غوطه‌وری و تجربه بصری بهتری را فراهم می‌کند، در حالی که فواصل بین مردمکی متفاوتی را نیز در نظر می‌گیرد. این نشان دهنده دومین تابع هسته موجبرهای پراشی است.

به طور کلی دو رویکرد برای اجرای توسعه مردمک دو بعدی وجود دارد. اولین مورد شامل استفاده از سه توری یک بعدی (به عنوان مثال، گریتینگ جفت، گریتینگ خمشی، و گریتینگ جفت کردن) است. روش دوم از یک گریتینگ یک بعدی (گریتینگ کوپلینگ) و یک گریتینگ دو بعدی (گریتینگ کوپلینگ) استفاده می کند.

در رویکرد اول، نور ساطع شده از موتور نوری از طریق گریتینگ کوپلینگ به موجبر جفت می شود. نور سپس تحت انعکاس کامل داخلی قرار می گیرد و به توری خمشی برخورد می کند، جایی که بخشی از نور به توری جفت کننده هدایت می شود، در حالی که نور باقیمانده از طریق انعکاس به سمت جلو پخش می شود. این نور دوباره به توری خمشی برخورد می کند و قسمت دیگری به توری کوپلینگ هدایت می شود. این فرآیند برای دستیابی به انبساط مردمک یک بعدی تکرار می شود.

در نهایت، نوری که به توری کوپلینگ می‌رسد، مقداری از آن را به داخل چشم پراکنده می‌کند، در حالی که نور باقی‌مانده از طریق بازتاب به سمت جلو پخش می‌شود و دوباره با توری جفت‌کننده در تعامل است. این فرآیند منجر به جهت دیگری از انبساط یک بعدی مردمک می شود. هنگامی که این دو انبساط یک بعدی با هم ترکیب می شوند، یک انبساط مردمک دو بعدی ایجاد می کنند.

در رویکرد دوم، فرآیند نیز با جفت کردن نور ساطع شده از موتور نوری به موجبر با استفاده از گریتینگ کوپلینگ آغاز می‌شود. سپس نور تحت بازتاب کامل داخلی قرار می گیرد و به شبکه دو بعدی جفت کننده برخورد می کند. در این مرحله، بخشی از نور به داخل چشم پراکنده می شود، در حالی که نور باقیمانده تقسیم شده و از طریق بازتاب در هر دو جهت افقی و عمودی به انتشار خود ادامه می دهد.

سپس نور مجدداً با توری کوپلینگ خارج می‌شود، جایی که بخش دیگری به داخل چشم پراکنده می‌شود. این فرآیند تکرار می شود و به طور موثر به انبساط مردمک دوبعدی دست می یابد.

در بالا، فرآیندهای فیزیکی طرح‌های توسعه مردمک دوبعدی توضیح داده شده است. در مقایسه، طرح اول از نظر طراحی و ساخت موجبر پراش نسبتا ساده‌تر است، اما مساحت کلی عدسی بیشتری را اشغال می‌کند. طرح دوم، از سوی دیگر، نیاز به استفاده از گریتینگ های دو بعدی دارد که طراحی و ساخت آنها پیچیده تر است و اجرای آن را چالش برانگیزتر می کند. با این حال، این رویکرد منجر به ساختار کلی فشرده‌تر می‌شود که امکان کاهش مساحت لنز را فراهم می‌کند.

با استفاده از انبساط دو بعدی مردمک، نه تنها می‌توانیم دامنه حرکت چشم را افزایش دهیم و غوطه‌وری کاربر را افزایش دهیم، بلکه وزن و ابعاد موتور نوری را در هر دو جهت افقی و عمودی کاهش می‌دهیم و عینک‌های AR را سبک‌تر و سازگارتر می‌کنیم.

توجه به این نکته مهم است که در حالی که گسترش مردمک دوبعدی تصویر را چندین بار تکرار می کند، ما در واقع فقط یک تصویر را درک می کنیم، نه چندین تصویر. این به این دلیل است که تصویری که توسط گریتینگ کوپلینگ ارسال می شود یک تصویر واقعی نیست بلکه یک تصویر مجازی است. علاوه بر این، مغز انسان تمایل دارد با دنبال کردن خط دید گسترده پرتوهای نوری که می بیند، خود را فریب دهد. پرتوهای نور تولید شده توسط انبساط مردمک با زوایای مختلف تصویر مجازی مشابهی مطابقت دارد، بنابراین صرف نظر از اینکه چشم چقدر موقعیت های مختلف پرتوهای نور منبسط شده را درک می کند، آنها بر اساس خط دید گسترده به همان تصویر برمی گردند.

به عنوان مثال، این شبیه به مشاهده یک شمع از طریق یک آینه هواپیما است. نور شمع از آینه منعکس می‌شود و وارد چشم می‌شود، که سپس تصویر مجازی را بر اساس خط گسترش یافته پرتوهای نور جستجو می‌کند. سه پرتو نور نشان داده شده در نمودار را می توان به عنوان پرتوهای نور منبسط شده در سه موقعیت مختلف در موجبر انکساری درک کرد. همانطور که در نمودار نشان داده شده است، وقتی این سه پرتو نور را به طور همزمان می بینیم، همه آنها به یک تصویر اشاره می کنند.

علاوه بر این، یک تصور غلط رایج وجود دارد که موجبرهای پراش بازده انرژی پایینی دارند. در واقع، این ادراک در طول فرآیند دستیابی به انبساط مردمک دوبعدی به وجود می آید، جایی که موجبر پراشی نیاز دارد انرژی نور را به قسمت های زیادی تقسیم کند و آن را به طور مساوی در هر موقعیت مردمک خروجی توزیع کند. در نتیجه انرژی در واحد سطح به طور طبیعی کاهش می یابد. با این حال، اگر بخواهیم تمام پرتوهای نور را از موجبر پراش به داخل چشم جمع کنیم، متوجه می‌شویم که بازده انرژی آن در واقع پایین نیست.

بنابراین، دلیل اصلی درک بازده انرژی پایین موجبرهای پراش، انبساط مردمک است. با این حال، انبساط یکی از ویژگی های قابل توجه موجبرهای پراش است، و همانطور که قبلا ذکر شد، مزایای متعددی را ارائه می دهد. بنابراین، به حداکثر رساندن بهره وری انرژی با حفظ سطح معینی از انبساط مردمک ضروری است.

02 سه جهت بهینه سازی اصلی برای موجبرهای پراش

1. بهینه سازی راندمان پراش نور

همانطور که قبلا ذکر شد، بسیاری از مردم دریافتند که موجبرهای پراش بازده انرژی پایینی دارند. برای پرداختن به این موضوع، لازم است با بهینه سازی راندمان پراش نور و در عین حال حفظ سطح معینی از انبساط مردمک، کارایی انرژی را بهبود بخشید.

از آنجایی که اندازه ویژگی گریتینگ های نانومقیاس با طول موج نور قابل مقایسه است، ضروری است که نور را نه به عنوان پرتوهای معمولی، بلکه به عنوان امواج الکترومغناطیسی در طول انتشار، در نظر بگیریم. هنگامی که نور به توری برخورد می کند، به چندین جهت مختلف تقسیم می شود (ترتیب های پراش) و به ناچار مقداری از انرژی نور در این فرآیند از بین می رود.

برای اطمینان از اینکه اکثر انرژی نور به موجبر پراش کوپل شده است، ما معمولاً یک ترتیب پراش غیر صفر خاص (که شرایط بازتاب داخلی کل را برآورده می کند) به عنوان ترتیب کاری موجبر پراش انتخاب می کنیم. با کنترل دقیق پارامترهایی مانند دوره توری، چرخه کار، عمق شیار و زاویه دیواره جانبی، می‌توانیم بازده پراش نور را بهینه کنیم و بیشتر انرژی نور را در این حالت کاری متمرکز کنیم. این به نوبه خود باعث افزایش بهره وری انرژی و افزایش روشنایی تصویر می شود.

2. بهینه سازی راندمان پراش برای زوایای تصادف مختلف

یکی دیگر از عوامل مهمی که باید در هنگام بهینه سازی گریتینگ در نظر گرفت، تاثیر زاویه برخورد نور بر بازده پراش است.

از آنجایی که تصویری که توسط موتور نوری نمایش داده می شود، یک سطح سبک را تشکیل می دهد، نور از موقعیت های مختلف روی این سطح در زوایای مختلف وارد موجبر پراش می شود. برای موجبرهای پراش، زوایای برخورد متفاوت منجر به راندمان پراش متفاوتی می شود که منجر به ناهماهنگی در روشنایی کلی تصویر می شود.

بنابراین، علاوه بر بهینه‌سازی راندمان پراش برای یک مرتبه پراش خاص، بهینه‌سازی راندمان پراش برای نور در زوایای مختلف برخورد برای اطمینان از روشنایی یکنواخت ضروری است.

3. بهینه سازی راندمان پراش برای طول موج های مختلف

رنگ های مختلف نور دارای طول موج های متفاوتی هستند که بر راندمان پراش آنها تأثیر می گذارد. علاوه بر این، طول موج های مختلف منجر به زوایای پراش متفاوتی می شود، به این معنی که در طول فرآیند انبساط مردمک، فرکانس برهمکنش رنگ های مختلف نور با گریتینگ کوپلینگ نیز متفاوت خواهد بود. این دو عامل ورود هر رنگ نور با نسبت انرژی برابر به چشم را چالش برانگیز می کند و در نتیجه مشکلاتی در یکنواختی رنگ ایجاد می کند. بنابراین، دستیابی به یکنواختی رنگ خوب در تصاویر با استفاده از یک موجبر پراش تک لایه دشوار است.

برای اطمینان از خروج نور با طول موج های مختلف با نسبت های انرژی برابر، معمولاً از انباشتگی چند لایه (دو لایه یا بیشتر) از موجبرهای پراش استفاده می شود. هر لایه از موجبر انکساری برای کنترل و افزایش انرژی برای یک محدوده طول موج خاص بهینه شده است و در عین حال گفتگوی متقاطع بین لایه ها را نیز سرکوب می کند. این رویکرد تضمین می کند که نور با طول موج های مختلف در نهایت با نسبت انرژی برابر به چشم وارد می شود و یکنواختی رنگ را بهبود می بخشد و تصاویر عادی و پر جنب و جوش را نشان می دهد.

03 خلاصه

از یک طرف، موجبرهای پراشی دو عملکرد اصلی دارند: انتقال ایزومتریک تصویر و انبساط مردمک دوبعدی. بر اساس این عملکردها، عینک‌های AR را قادر می‌سازند که سبک و باریک باشند در حالی که طیف وسیع‌تری از کاربران را در خود جای می‌دهند و حس قوی غوطه‌وری و تجربه بصری عالی را ارائه می‌دهند. علاوه بر این، ادغام فرآیندهای نیمه هادی قابلیت ساخت موجبرهای پراش را افزایش می دهد و پایه محکمی برای ورود عینک های AR به بازار مصرف ایجاد می کند.

از سوی دیگر، به عنوان جریان اصلی فناوری نمایش برای عینک‌های AR، موجبرهای پراشی پتانسیل بسیار خوبی را ارائه می‌دهند اما پیچیدگی قابل توجهی نیز دارند. بهینه‌سازی راندمان پراش باید از جنبه‌های مختلف، از جمله ترتیبات پراش، زوایای برخورد و طول موج‌ها در نظر گرفته شود.

با پیشرفت‌های مداوم در فناوری و بهینه‌سازی عملکرد بیشتر، موجبرهای پراش AR آماده هستند تا عینک‌های واقعیت افزوده را به خانه‌ها بیاورند و در عصر متاورژن به خوبی بدرخشند.