موجبرهای نوری: «مسیر نور» از تراشه‌های فوتونیک تا عینک‌های واقعیت افزوده

در عینک های AR، موجبر نوری یک جزء نوری هسته ای است که تجربه نمایش را تعیین می کند. تصویر تولید شده توسط موتور نوری را به داخل لنز هدایت می کند و آن را از طریق یک ساختار خاص به سمت چشم کاربر هدایت می کند، در حالی که شفافیت لنز را حفظ می کند تا کاربر بتواند هم دنیای واقعی و هم اطلاعات مجازی را به طور همزمان مشاهده کند.

موجبرهای نوری با ظهور AR ایجاد نشدند. در زمینه هایی مانند تراشه های فوتونیکی و ارتباطات نوری، دستگاه هایی مانند مدولاتورها، آشکارسازها و تقسیم کننده های پرتو نیز برای انتقال سیگنال های نوری به موجبرها متکی هستند. اگر اتصالات فلزی به‌عنوان مسیر سیگنال‌های الکتریکی عمل می‌کنند، موجبرهای نوری به‌عنوان کانال‌هایی برای سیگنال‌های نوری عمل می‌کنند – وجه تمایز این است که نور برای محدود کردن مسیر انتشار خود به تفاوت‌های ضریب شکست و مرزهای هندسی متکی است.

صرف نظر از این که آنها رادیوهای هندسی، توری برجسته یا حجمی هستند، هدف از موجبرهای نوری مورد استفاده در عینک های AR هدایت نور به چشم انسان در طول مسیر طراحی شده است.

ماهیت یک موجبر: طراحی یک مسیر قابل کنترل برای نور

وظیفه اصلی یک موجبر نوری محدود کردن انتشار نور به یک منطقه خاص است.

در تراشه های فوتونی، موجبرها را می توان از موادی مانند سیلیکون، نیترید سیلیکون، InP یا لیتیوم نیوبات ساخت. در عینک‌های AR، موجبرهای نوری معمولاً از شیشه یا رزین با ضریب شکست بالا تشکیل شده‌اند، اگرچه در سال‌های اخیر، کاربید سیلیکون (SiC) نیز به عنوان ماده‌ای برای موجبرهای نوری پراش استفاده می‌شود و از توری‌ها یا ساختارهای بازتابنده برای دستیابی به جفت شدن و خروج نور استفاده می‌شود.

یک موجبر نه تنها مسیر نوری، بلکه توزیع میدان نور را نیز کنترل می‌کند - تعیین مکان انتشار نور، نحوه هدایت و تقسیم آن، و نحوه ورود آن به چشم انسان.

یک موجبر عالی باید به طور همزمان به تلفات کم، راندمان کوپلینگ بالا و یکنواختی خوب برسد و در عین حال برای تولید انبوه نیز مناسب باشد.

چگونه موجبرها نور را محدود می کنند: بازتاب و حالت های داخلی کل

موجبرهای نوری انتشار نور را از طریق بازتاب داخلی کامل محدود می کنند.

هنگامی که نور از یک ماده با ضریب شکست بالا به سمت یک ماده با ضریب شکست پایین حرکت می کند و زاویه تابش از زاویه بحرانی بیشتر می شود، نور کاملاً به ماده با ضریب شکست بالا بازتاب می شود. این پدیده اساس موجبرها را تشکیل می دهد.

کنتراست ضریب شکست بزرگتر منجر به محصور شدن میدان نوری قوی‌تر می‌شود و موجبرهای کوچک‌تری را می‌دهد. با این حال، محصور شدن بیش از حد قوی موجبر را نسبت به عیوب ساخت حساس‌تر کرده و تلفات پراکندگی را افزایش می‌دهد.

شایان ذکر است که ضریب شکست مستقیماً حد بالایی میدان دید (FOV) را برای عینک های AR تعیین می کند. افزایش ضریب شکست ماده موجبر، دامنه زوایای انتشار نور پشتیبانی شده را گسترش می‌دهد و در نتیجه پتانسیل طرح‌هایی با میدان دید وسیع‌تر را ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، مواد با ضریب شکست بالا به طور کلی برای دستیابی به سیستم های موجبر با FOV بزرگ مساعدتر هستند. این یک دلیل کلیدی است که چرا کاربید سیلیکون (SiC، با ضریب شکست تقریباً 2.6) توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است.

نور خودسرانه در یک موجبر منتشر نمی شود. به عبارت ساده، هر پرتو نوری که وارد موجبر می شود نمی تواند به طور پایدار منتشر شود. فقط توزیع میدان الکترومغناطیسی که شرایط مرزی خاصی را برآورده می کند می تواند در مسافت های طولانی سفر کند. این حالت‌های پایدار به عنوان 'حالت‌ها' شناخته می‌شوند. حالت‌های انتشار مختلف دارای توزیع‌های میدان الکتریکی متمایز و ثابت‌های انتشار هستند. از آنجایی که مشکلات تداخل یا یکنواختی می‌تواند بین حالت‌های مختلف ایجاد شود، کنترل حالت یک عامل حیاتی در طراحی موجبر AR است.

در نمایشگرهای AR، کنترل حالت مستقیماً بر یکنواختی روشنایی و عملکرد رنگ تأثیر می گذارد.

جایی که تلفات نوری در یک موجبر رخ می دهد

موجبرهای واقعی به طور اجتناب ناپذیری تلفات را نشان می دهند، عمدتاً در چهار نوع:

1. جذب مواد: اتلاف انرژی نور ناشی از ویژگی های جذب ذاتی و ناخالصی های مواد.

2. از دست دادن پراکندگی: پراکندگی نور ناشی از زبری دیواره جانبی و انحرافات ابعادی در طول فرآیند ساخت. پارامترهای ساخت میکرو و نانو - مانند دوره توری، عمق اچ و زبری دیواره جانبی در موجبرهای AR - مستقیماً بر راندمان پراش، یکنواختی و عملکرد رنگ تأثیر می‌گذارند.

3. از دست دادن خمش: زمانی که شعاع خمش خیلی کوچک است، مقداری نور به بیرون تابش می کند.

4. تلفات کوپلینگ: تلفات به دلیل عدم تطابق در اندازه حالت، زاویه یا حالت پلاریزاسیون هنگام انتقال نور از یک سازه به سازه دیگر (مثلاً موتور نوری به موجبر، یا موجبر به ساختار کوپلینگ خارج) رخ می دهد.

یکی از کلیدهای بهبود کارایی اپتیکی عینک‌های AR، به حداقل رساندن تلفات در کل مسیر نوری است: از موتور سبک تا اتصال، انتشار و برون‌کوپل، تا چشم انسان.

تسهیل ورود و خروج صاف نور به داخل و خارج موجبر: انکوپلینگ و برون کوپله

در موجبرهای نوری واقعیت افزوده، اتصال نور و جفت کردن نور فناوری‌های اصلی هستند:

1. موجبرهای نوری پراش از توری برای تغییر جهت نور استفاده می کنند.

2. موجبرهای نوری هندسی از ساختارهای بازتابنده برای تغییر مسیر مسیر نوری استفاده می کنند.

3. موجبرهای نوری هولوگرافیک حجمی از عناصر هولوگرافیک برای کنترل انتشار نور استفاده می کنند.

ماهیت این فناوری ها در ایجاد امکان تبدیل حالت بسیار کارآمد برای نور نهفته است.

معیارهای ارزیابی مهندسی موجبر

ارزیابی قابلیت حیات یک موجبر مستلزم ارزیابی جامع عوامل زیر است:

1. افت انتشار: تضعیف توان نوری در واحد طول.

2. راندمان کوپلینگ: بازده نور ورودی و خروجی از سیستم که مستقیماً بر روشنایی درک شده توسط چشم تأثیر می گذارد.

3. افت خمشی: ارزیابی پایداری نوری سازه موجبر در طرح هایی که دارای پروفیل های نازک یا سطوح منحنی هستند.

4. کنترل حالت و پلاریزاسیون: عوامل مؤثر بر یکنواختی نمایشگر، عملکرد رنگ و ثبات سیستم، که باید در ارتباط با طراحی موجبر در نظر گرفته شوند.

5. تحمل های ساخت: قابلیت کنترل عواملی مانند خطاهای لیتوگرافی، انحرافات اچ و تغییرات ضخامت فیلم.

در نتیجه

چه در تراشه های فوتونیکی و چه در نمایشگرهای AR، عملکرد موجبرهای نوری کنترل مسیر انتشار نور است.

با تکامل مستمر رویکردهای فنی مختلف - مانند موجبرهای نوری هندسی، توری های برجسته سطحی، و موجبرهای هولوگرافی حجمی - و انتقال مواد جدید مانند کاربید سیلیکون از آزمایشگاه به کاربردهای مهندسی، فناوری موجبر نوری وارد مرحله جدیدی از رقابت می شود. این مرحله فراتر از پیگیری صرف عملکرد نوری به یک مسابقه جامع شامل عملکرد، هزینه، بازده و قابلیت‌های تولید انبوه حرکت می‌کند.

منبع: گردآوری شده توسط Pingsheng Semiconductor و Aibang Zhizao