موجبر پراش AR چیست؟

موجبر پراش یک راه حل اصلی نمایش نوری برای عینک های AR است. بسیاری از دستگاه های AR از این فناوری استفاده می کنند. چرا سازندگان اصلی سخت افزار AR اینقدر به موجبرهای پراشی علاقه دارند؟ موجبر پراشی دقیقا چیست؟

01 تعریف موجبر پراش

برای به دست آوردن درک عمیق تر، می توانیم اصطلاح 'موج پراش' را به دو بخش تقسیم کنیم: پراش و موجبر.

به طور معمول، ما می دانیم که نور می تواند به سه طریق منتشر شود: انتشار مستقیم، بازتاب و شکست. به عنوان مثال، مناظر مادون قرمز، پریسکوپ و نحوه خم شدن نی هنگام قرار دادن در آب، همگی بر اساس این سه اصل هستند. از سوی دیگر، پراش، چهارمین راه انتشار نور است.

در قرن هفدهم، پروفسور ایتالیایی ریاضیات، فرانچسکو گریمالدی، واژه «پراش» را کشف و ابداع کرد که از کلمه لاتین «diffringere» به معنای «تکه‌تکه شدن» گرفته شده است.

او در آزمایش‌های خود، پرتویی از نور را از دو روزنه کوچک عبور داد و روی صفحه‌ای در اتاقی تاریک قرار داد و الگویی از نوارهای روشن و تاریک را در لبه‌های برجستگی مشاهده کرد. بنابراین، پراش به پدیده فیزیکی اطلاق می شود که در آن جهت انتشار موج هنگام برخورد با موانع یا شکاف ها تغییر می کند.

با توجه به این واقعیت که اثرات پراش قابل توجه را می توان تنها زمانی مشاهده کرد که اندازه یک مانع یا عرض یک شکاف با طول موج موج قابل مقایسه یا کوچکتر باشد، اغلب مشاهده پراش نور در زندگی روزمره ما دشوار است. با این حال، تحت شرایط خاص، می توانیم آن را مشاهده کنیم. به عنوان مثال، پدیده 'شکوه' که در آسمان دیده می شود، که به صورت هاله ای رنگارنگ در اطراف سایه ها ظاهر می شود، نتیجه پراش نور خورشید از طریق قطرات کوچک آب و کریستال های یخ در ابرها است.

با بحث در مورد پراش، موجبر دقیقاً چیست؟

در دنیای ما انواع مختلفی از امواج از جمله امواج نور، امواج صوتی و امواج الکترومغناطیسی وجود دارد.

موجبر وسیله ای است که این امواج را از مکانی به مکان دیگر منتقل می کند. بنابراین، موجبر نوری وسیله یا وسیله ای است که امواج نور را در حین انتشار هدایت می کند.

با درک هر دوی پراش و موجبرها، می‌توانیم یک موجبر پراشی را تعریف کنیم: به عبارت ساده، این وسیله‌ای است که از پراش نور برای هدایت امواج نور در حین حرکت استفاده می‌کند.

موجبر پراش

برای توضیح بیشتر، یک موجبر پراش برای استفاده از خواص پراش گریتینگ ها برای ایجاد یک 'مسیر نوری' طراحی شده است که به نور اجازه می دهد در یک مسیر از پیش تعیین شده منتشر شود و نور ساطع شده از یک سیستم ریز پرتابی را به چشم انسان هدایت کند.

توری پراش، یک عنصر نوری با ساختار تناوبی، جزء اصلی موجبر پراش است. بر اساس نوع گریتینگ استفاده شده، موجبرهای پراش را می توان به دو نوع موجبر گریتینگ سطحی و موجبرهای توری هولوگرافی حجمی تقسیم کرد.

02 موجبر ریلیف سطحی

توری های برجسته سطحی با 'مجسمه کردن' قله های بلند و دره های کم روی سطح یک ماده از طریق فرآیندهایی مانند فتولیتوگرافی و اچینگ ایجاد می شوند. این تکنیک ساخت به یک ساختار دوره ای می رسد که عملکرد نوری مورد نیاز را برآورده می کند.

این توری‌ها نوری را که با آنها در تعامل است دستکاری می‌کنند و امکان پراش مؤثر و هدایت نور را در موجبر فراهم می‌کنند. گریتینگ های سطحی به دلیل سادگی در ساخت و قابلیت ادغام در سیستم های نوری مختلف به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

تصویر SEM از گریتینگ سطحی

Surface Relief Grating Waveguide برای هدایت نور ساطع شده از یک سیستم ریز پروجکشن (موتور نوری) به چشم انسان، نور باید از فرآیندهای جفت شدن و جفت شدن عبور کند. به طور خاص، نور ساطع شده از موتور نوری از طریق گریتینگ ورودی وارد موجبر می شود، از طریق بازتاب کلی داخلی در موجبر تخت منتشر می شود و در نهایت توسط گریتینگ خروجی به چشم انسان منتقل می شود. گریتینگ های ورودی و خروجی مورد استفاده در اینجا، گریتینگ های تسکین دهنده سطحی هستند.

با توجه به ویژگی‌های نانومقیاس توری که با طول موج نور قابل مقایسه است، نور نباید به عنوان پرتوهای معمولی در نظر گرفته شود، بلکه باید به عنوان امواج الکترومغناطیسی در نظر گرفته شود. هنگامی که نور به توری برخورد می کند، تحت پراش چند مرتبه ای قرار می گیرد.

به عنوان مثال، اگر موتور نوری نور تک رنگ (مانند نور سبز) ساطع کند، این نور با برخورد به توری ورودی به چندین پرتو تقسیم می شود که در جهات مختلف (ترتیب های پراش) حرکت می کنند. یکی از این ترتیبات پراش غیر صفر (مثلاً ترتیب +1) شرایط بازتاب داخلی کل موجبر مسطح را برآورده می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا از طریق انعکاس کل داخلی وارد موجبر شود و منتشر شود. به این ترتیب پراش خاص، ترتیب کاری موجبر پراش می گویند. با کنترل دقیق پارامترهایی مانند دوره، چرخه کار، عمق شیار و زاویه دیواره جانبی گریتینگ، می توان بیشتر انرژی نور را در نظم کاری موجبر پراش متمرکز کرد و به طور موثر بیشتر انرژی نور را به موجبر جفت کرد. این فرآیند به عنوان فرآیند جفت شدن موجبر پراشی شناخته می شود.

به همین ترتیب، هنگامی که نوری که از طریق بازتاب داخلی کل در موجبر پراش منتشر می شود، با توری خروجی برخورد می کند، چندین مرتبه پراش نیز ایجاد می کند. یکی از این ترتیبات غیر صفر از موجبر پراش در یک جهت خاص خارج می شود و متعاقبا وارد چشم انسان می شود. این به عنوان فرآیند جفت شدن موجبر پراش شناخته می شود.

اگر موتور نوری نور رنگی ساطع کند، علاوه بر فرآیندهای ذکر شده، پیچیدگی های دیگری نیز به همراه خواهد داشت. با توجه به طول موج های مختلف رنگ های مختلف نور، بازده پراش آنها نیز متفاوت خواهد بود. در نتیجه، در طول انتشار، انرژی هر رنگ نور ممکن است به درجات مختلف از دست برود و در نتیجه پراکندگی ایجاد شود. با بهینه سازی پارامترهای مختلف گریتینگ، گریتینگ می تواند دقیقا انرژی طول موج های مختلف نور را کنترل کند، در نتیجه مسائل پراکندگی را به حداقل می رساند و در نهایت به ما امکان می دهد تصاویر را با رنگ های دقیق ببینیم.

برای پرداختن به مسائل پیچیده پراش گریتینگ، این شرکت مجموعه ای جامع از نرم افزارهای محاسباتی برای انواع مختلف گریتینگ ها را بر اساس روش مودال فوریه (FMM) ایجاد کرده است که می تواند مشکلات پراش مربوط به گریتینگ ها را به سرعت و با دقت محاسبه کند.

علاوه بر این، این شرکت دارای یک مرکز پردازش اصلی گریتینگ و یک سیستم کامل تولید انبوه برای موجبرهای پراش است که هماهنگی نزدیک بین طراحی و ساخت را به دست می‌آورد. هنگام طراحی گریتینگ، می‌توان به قابلیت‌های پردازش اصلی و تکنیک‌های تولید توجه کرد، که امکان تنظیمات و بهینه‌سازی به‌موقع را در صورت بروز مشکلات فراهم می‌کند که منجر به یک چرخه تکرار سریع محصول می‌شود.

موجبر انکساری، که بسیار مورد علاقه سازندگان اصلی سخت افزار AR است، به طور خاص به موجبر توری تسکین سطحی اشاره دارد. از مزایای آن می توان به طراحی باریک، میدان دید بزرگ، محدوده حرکت چشم گسترده و هزینه تولید انبوه کم اشاره کرد که باعث شده است به طور گسترده به عنوان مسیر اصلی فناوری نمایشگر در صنعت AR در نظر گرفته شود.

03 موجبر گریتینگ هولوگرافیک حجمی

فرآیند انتشار نور در یک موجبر توری هولوگرافیک حجمی اساساً شبیه به یک موجبر گریتینگ سطحی است.

تفاوت اصلی در نحوه ایجاد توری هولوگرافی حجمی نهفته است. به جای «مجسمه‌سازی»، توری هولوگرافیک حجمی با قرار دادن یک لایه مقاوم نوری بر روی یک بستر در معرض الگوهای تداخل ایجاد شده توسط دو پرتو منسجم نور تشکیل می‌شود. این فرآیند یک توزیع فضایی دوره ای با ضرایب شکست متفاوت در سطح مولکولی ایجاد می کند. توری های هولوگرافی حجمی معمولاً تحت شرایط پراش براگ عمل می کنند.

شرایط پراش براگ چیست؟

در سال 1912، دانشمند آلمانی ماکس فون لائو، پدیده پراش اشعه ایکس در کریستال ها را کشف کرد و زمینه را برای مطالعه فیزیک پراش پرتو ایکس فراهم کرد. در همان سال لارنس براگ با مطالعات مکرر در آزمایشگاه کاوندیش به این نتیجه رسید که این پدیده نوعی اثر پراش موج است.

در سال 1913، لارنس براگ و پدرش، هنری براگ، مشترکاً شکل براگ پراش اشعه ایکس (معروف به پراش براگ) را پیشنهاد کردند. آنها دریافتند که وقتی امواج ذرات زیراتمی وارد یک کریستال می شوند، اگر طول موج امواج ذره نزدیک به فاصله بین اتم های کریستال باشد، امواج ذرات توسط اتم ها به شکل آینه ای پراکنده می شوند. این پراکندگی منجر به تداخل سازنده طبق قانون براگ می شود و قله های متمرکزی از امواج را تشکیل می دهد (معروف به قله های براگ). شرایط براگ معیارهایی هستند که برای ایجاد تداخل سازنده باید رعایت شوند.

نمودار شماتیک پراش براگ

بر اساس اصل پراش براگ، هنگامی که امواج نور با شرایط براگ مطابقت دارند، توری های هولوگرافیک حجمی می توانند بازده پراش بسیار بالایی را به دست آورند. با این حال، شرایط براگ الزامات سختگیرانه‌ای را بر زاویه و طول موج نور فرودی اعمال می‌کند. اگر این شرایط برآورده نشود، راندمان پراش می تواند به سرعت کاهش یابد. این باعث می شود که موجبرهای توری هولوگرافیک حجمی برای دستیابی به یکنواختی رنگ خوب تلاش کنند، که نمی تواند نیازهای بازار را برآورده کند.

در حال حاضر، موجبرهای گریتینگ هولوگرافیک حجمی شکاف های قابل توجهی را در مقایسه با موجبرهای گریتینگ سطحی از نظر عملکرد نمایش، تجاری سازی محصول و پشتیبانی صنعتی نشان می دهند.

04 خلاصه

موجبرهای پراش AR از ویژگی‌های پراش گریتینگ‌ها برای طراحی «مسیرهای نور» استفاده می‌کنند و اجازه می‌دهند نور ساطع شده از سیستم‌های ریزپرجکشن به چشم انسان هدایت شود. بر اساس نوع توری پراش مورد استفاده، موجبرهای پراش را می توان به موجبرهای گریتینگ سطحی و موجبرهای توری هولوگرافی حجمی طبقه بندی کرد.

موجبرهای ریلیف سطحی مزایایی مانند سبک بودن، داشتن میدان دید زیاد، محدوده حرکت چشم گسترده و هزینه تولید انبوه پایین را ارائه می دهند. در نتیجه، آنها به طور گسترده به عنوان فناوری اصلی نمایشگر در صنعت AR در نظر گرفته می شوند. در حالی که موجبرهای توری هولوگرافی حجمی راندمان پراش بسیار بالایی را نشان می‌دهند، به دلیل شرایط سخت پراش براگ با یکنواختی رنگ دست و پنجه نرم می‌کنند و هنوز در مراحل اولیه توسعه فناوری هستند و برای دستیابی به پیشرفت‌ها به پیشرفت‌های قابل توجهی نیاز دارند.

با پیشرفت‌های تکنولوژیکی و پیشرفت‌های مداوم در پردازش، موجبرهای پراش AR مبتنی بر توری‌های تسکین سطحی شروع به ورود به بازار مصرف می‌کنند. اعتقاد بر این است که در آینده، آنها تجربیات استثنایی نمایش AR را برای تولیدکنندگان سخت افزار AR بیشتری ارائه خواهند کرد.