Paano Gumagana ang Diffractive Waveguide Technology sa AR Glasses Display

Sa aming nakaraang artikulo, 'Ano ang AR Diffractive Waveguide?', ipinaliwanag namin ang mga pangunahing prinsipyo ng diffractive waveguides at na-highlight ang mga pagkakaiba sa pagitan ng surface relief grating waveguides at volume holographic grating waveguides. Ngayon, susuriin natin nang mas malalim ang mga pangunahing function at mga direksyon sa pag-optimize ng mga diffractive waveguides, tinatalakay kung bakit umuusbong ang diffractive waveguides batay sa surface relief gratings bilang pangunahing teknolohiya ng display para sa AR glasses.

01 Mga Pangunahing Pag-andar ng Diffractive Waveguides

1. Isometric Transfer ng Larawan

Mula sa aming mga naunang artikulo, alam namin na para sa isang diffractive waveguide upang idirekta ang liwanag na ibinubuga mula sa isang micro-projection system (optical engine) sa mata ng tao, dapat itong sumailalim sa mga proseso ng coupling in at coupling out. Sa partikular, ang liwanag na ibinubuga ng optical engine ay pumapasok sa flat waveguide sa pamamagitan ng coupling grating, nagpapalaganap sa loob nito sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni, at sa wakas ay ipinapadala sa mata sa pamamagitan ng coupling out grating.

Ang pinakamahalagang aspeto ng prosesong ito ay ang kabuuang panloob na pagmuni-muni. Ngunit ano nga ba ang kabuuang panloob na pagmuni-muni?

Ang kabuuang panloob na pagmuni-muni ay nangyayari kapag ang liwanag ay naglalakbay mula sa isang medium na may mas mataas na refractive index patungo sa isa na may mas mababang refractive index, at ang anggulo ng saklaw ay mas malaki kaysa o katumbas ng kritikal na anggulo. Kapag ang mga kundisyon para sa kabuuang panloob na pagmuni-muni ay natugunan, ang liwanag ay patuloy na magpapalaganap sa pamamagitan ng patag na waveguide sa pamamagitan ng pagmuni-muni nang hindi naililipat, sa gayon ay nagpapahintulot sa direksyon ng liwanag na mabago. Ang isang kilalang natural na kababalaghan na nagreresulta mula sa kabuuang panloob na pagmuni-muni ay ang mirage.

Karaniwan, ang mga AR glass ay naglalabas ng mga larawan gamit ang isang optical engine. Gayunpaman, ang paglalagay ng optical engine nang direkta sa lens ay makahahadlang sa pagtingin ng gumagamit at hindi kaakit-akit sa paningin. Bukod dito, ang pag-asa lamang sa optical engine ay hindi makakamit ang ninanais na epekto ng pagsasama ng virtual at totoong mga imahe.

Gamit ang prinsipyo ng kabuuang panloob na pagmuni-muni, ang mga diffractive na waveguides ay maaaring magsagawa ng isometric na paglipat ng mga larawang ipinoproyekto ng optical engine, na nagpapahintulot sa optical engine na iposisyon sa tuktok o gilid ng salamin. Ang diskarte na ito ay hindi lamang umiiwas sa pagharang sa linya ng paningin ng gumagamit kundi pati na rin, dahil sa mataas na light transmission rate at manipis na profile ng diffractive waveguide, ay naglalapit sa AR glasses sa regular na eyewear habang nakakamit ang ninanais na epekto ng virtual-real integration.

Mahalagang tandaan na ang diffractive waveguide ay responsable lamang para sa paglilipat ng larawan sa mata at hindi nakakaapekto sa nilalaman ng larawan mismo, na nangangahulugang wala itong kakayahang palakihin o bawasan ang laki ng larawan.

2. Two-Dimensional Pupil Expansion

Karaniwang walang kakayahan sa pagpapalawak ng pupil ang mga standard na solusyon sa optical display, na nililimitahan ang viewer na makakita lamang ng mga larawan sa loob ng saklaw ng laki ng pupil na labasan ng optical engine (ibig sabihin, hanay ng paggalaw ng mata). Halimbawa, kung ang exit pupil ng optical engine ay may sukat na φ5mm, makikita lang ng user ang larawan sa loob ng φ5mm range. Ito ay katulad ng pagtingin sa mundo sa pamamagitan ng peephole, na makabuluhang nakakabawas sa paglulubog at visual na karanasan.

Upang matugunan ang isyung ito, ang mga diffractive waveguides ay maaaring makamit ang dalawang-dimensional na pagpapalawak ng mag-aaral, na nagpapalaki sa exit pupil habang pinapanatili ang isang compact na laki at isang malawak na larangan ng view. Ito ay epektibong pinapataas ang hanay ng paggalaw ng mata sa magkabilang direksyon, na nagbibigay ng mas mataas na pakiramdam ng paglulubog at isang pinahusay na visual na karanasan, habang tinatanggap din ang iba't ibang distansya ng interpupillary. Kinakatawan nito ang pangalawang pangunahing function ng diffractive waveguides.

Sa pangkalahatan, mayroong dalawang diskarte upang ipatupad ang dalawang-dimensional na pagpapalawak ng mag-aaral. Ang una ay nagsasangkot ng paggamit ng tatlong one-dimensional na grating (ibig sabihin, coupling grating, bending grating, at coupling out grating). Ang pangalawang diskarte ay gumagamit ng isang one-dimensional grating (coupling grating) at isang two-dimensional grating (coupling out grating).

Sa unang diskarte, ang liwanag na ibinubuga mula sa optical engine ay isinasama sa waveguide sa pamamagitan ng coupling grating. Ang liwanag pagkatapos ay sumasailalim sa kabuuang panloob na pagmuni-muni at tinatamaan ang baluktot na rehas na bakal, kung saan ang isang bahagi ng liwanag ay na-redirect sa coupling out grating, habang ang natitirang liwanag ay patuloy na nagpapalaganap pasulong sa pamamagitan ng pagmuni-muni. Ang liwanag na ito ay muling tatama sa baluktot na rehas na bakal, at isa pang bahagi ay ire-redirect sa coupling out grating. Ang prosesong ito ay paulit-ulit upang makamit ang one-dimensional na paglawak ng mag-aaral.

Sa wakas, ang liwanag na umaabot sa coupling out grating ay magkakaroon ng ilan sa mga ito diffracted sa mata, habang ang natitirang liwanag ay patuloy na nagpapalaganap pasulong sa pamamagitan ng pagmuni-muni, muling nakikipag-ugnayan sa coupling out grating. Ang prosesong ito ay nagreresulta sa isa pang direksyon ng one-dimensional pupil expansion. Kapag pinagsama ang dalawang one-dimensional na pagpapalawak na ito, lumilikha sila ng two-dimensional na pagpapalawak ng mag-aaral.

Sa pangalawang diskarte, ang proseso ay nagsisimula din sa pamamagitan ng pagkabit ng ilaw na ibinubuga mula sa optical engine papunta sa waveguide gamit ang coupling grating. Ang liwanag pagkatapos ay sumasailalim sa kabuuang panloob na pagmuni-muni at tinatamaan ang dalawang-dimensional na pagkakabit ng rehas na bakal. Sa puntong ito, ang isang bahagi ng liwanag ay nadidiffracte sa mata, habang ang natitirang liwanag ay nahahati at patuloy na nagpapalaganap pasulong sa pamamagitan ng pagmuni-muni sa parehong pahalang at patayong direksyon.

Ang liwanag ay muling makikipag-ugnayan sa coupling out grating, kung saan ang isa pang bahagi ay diffracted sa mata. Ang prosesong ito ay paulit-ulit, na epektibong nakakamit ng dalawang-dimensional na pagpapalawak ng mag-aaral.

Inilalarawan ng nasa itaas ang mga pisikal na proseso ng two-dimensional na mga scheme ng pagpapalawak ng mag-aaral. Sa paghahambing, ang unang pamamaraan ay medyo mas simple sa mga tuntunin ng disenyo at katha ng diffractive waveguide, ngunit ito ay sumasakop sa mas pangkalahatang lugar ng lens. Ang pangalawang pamamaraan, sa kabilang banda, ay nangangailangan ng paggamit ng dalawang-dimensional na mga grating, na mas kumplikado sa disenyo at paggawa, na ginagawang mas mahirap na ipatupad. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay nagreresulta sa isang mas compact na pangkalahatang istraktura, na nagbibigay-daan para sa pagbawas sa lugar ng lens.

Sa pamamagitan ng paggamit ng two-dimensional pupil expansion, hindi lang natin mapapalaki ang hanay ng paggalaw ng mata at mapahusay ang pag-immersion ng user, ngunit bawasan din ang bigat at mga dimensyon ng optical engine sa parehong pahalang at patayong direksyon, na ginagawang mas magaan at mas madaling ibagay ang mga salamin sa AR.

Mahalagang tandaan na habang ang dalawang-dimensional na pagpapalawak ng mag-aaral ay kinokopya ang larawan nang maraming beses, talagang isang larawan lang ang nakikita namin, hindi maramihang mga larawan. Ito ay dahil ang imahe na ipinadala ng coupling out grating ay hindi isang tunay na imahe ngunit isang virtual. Bukod pa rito, ang utak ng tao ay may posibilidad na linlangin ang sarili sa pamamagitan ng pagsunod sa pinalawig na linya ng paningin ng mga sinag ng liwanag na nakikita nito. Ang mga light beam na nabuo ng pupil expansion ay tumutugma sa iba't ibang mga anggulo ng parehong virtual na imahe, kaya kahit gaano karaming iba't ibang posisyon ng pinalawak na mga light beam ang nakikita ng mata, magbabalik ang mga ito sa parehong imahe batay sa pinalawak na linya ng paningin.

Halimbawa, ito ay katulad ng pagmamasid sa isang kandila sa pamamagitan ng salamin ng eroplano. Ang liwanag mula sa kandila ay sumasalamin sa salamin at pumapasok sa mata, na pagkatapos ay naghahanap ng virtual na imahe batay sa pinalawig na linya ng mga sinag ng liwanag. Ang tatlong light ray na inilalarawan sa diagram ay mauunawaan bilang ang mga pinalawak na light beam sa tatlong magkakaibang posisyon sa diffractive waveguide. Gaya ng ipinapakita sa diagram, kapag nakita natin ang tatlong light beam na ito nang sabay-sabay, lahat sila ay tumuturo sa parehong imahe.

Bilang karagdagan, mayroong isang karaniwang maling kuru-kuro na ang mga diffractive waveguides ay may mababang kahusayan sa enerhiya. Sa katotohanan, ang perception na ito ay lumitaw sa panahon ng proseso ng pagkamit ng dalawang-dimensional na pagpapalawak ng mag-aaral, kung saan ang diffractive waveguide ay kailangang hatiin ang liwanag na enerhiya sa maraming bahagi at ipamahagi ito nang pantay-pantay sa bawat exit pupil position. Bilang resulta, natural na nababawasan ang enerhiya sa bawat unit area. Gayunpaman, kung kukunin natin ang lahat ng liwanag na sinag mula sa diffractive waveguide papunta sa mata, makikita natin na ang kahusayan ng enerhiya nito ay talagang hindi mababa.

Kaya, ang pangunahing dahilan para sa pinaghihinalaang mababang kahusayan ng enerhiya ng diffractive waveguides ay ang pagpapalawak ng mag-aaral. Gayunpaman, ang pagpapalawak ay isang makabuluhang tampok ng diffractive waveguides, at tulad ng naunang nabanggit, nag-aalok ito ng maraming mga pakinabang. Samakatuwid, mahalaga na i-maximize ang kahusayan ng enerhiya habang pinapanatili ang isang tiyak na antas ng pagpapalawak ng mag-aaral.

02 Tatlong Pangunahing Direksyon sa Pag-optimize para sa Diffractive Waveguides

1. Pag-optimize ng Light Diffraction Efficiency

Tulad ng nabanggit kanina, maraming tao ang nakakaunawa na ang diffractive waveguides ay may mababang kahusayan sa enerhiya. Upang matugunan ang isyung ito, kinakailangan upang mapabuti ang kahusayan ng enerhiya sa pamamagitan ng pag-optimize sa kahusayan ng diffraction ng liwanag habang pinapanatili ang isang tiyak na antas ng pagpapalawak ng mag-aaral.

Dahil ang laki ng tampok ng nanoscale gratings ay maihahambing sa wavelength ng liwanag, mahalagang ituring ang liwanag hindi bilang mga ordinaryong ray kundi bilang mga electromagnetic wave sa panahon ng pagpapalaganap. Kapag tumama ang liwanag sa rehas na bakal, nahahati ito sa iba't ibang direksyon (mga pagkakasunud-sunod ng diffraction), at hindi maiiwasang mawala ang ilan sa liwanag na enerhiya sa proseso.

Upang matiyak na ang karamihan ng liwanag na enerhiya ay pinagsama sa diffractive waveguide, kadalasang pumipili kami ng isang partikular na non-zero diffraction order (na nakakatugon sa kabuuang panloob na mga kondisyon ng pagmuni-muni) bilang ang working order ng diffractive waveguide. Sa pamamagitan ng tumpak na pagkontrol sa mga parameter gaya ng grating period, duty cycle, groove depth, at sidewall angle, maaari nating i-optimize ang diffraction efficiency ng liwanag, na tumutuon sa karamihan ng light energy sa working order na ito. Ito, sa turn, ay nagpapahusay sa kahusayan ng enerhiya at nagbibigay-daan para sa mas mataas na liwanag ng imahe.

2. Pag-optimize ng Diffraction Efficiency para sa Iba't ibang Anggulo ng Insidente

Ang isa pang mahalagang salik na dapat isaalang-alang kapag nag-o-optimize sa grating ay ang epekto ng anggulo ng insidente ng liwanag sa kahusayan ng diffraction.

Dahil ang imahe na pinaplano ng optical engine ay bumubuo ng isang magaan na ibabaw, ang liwanag mula sa iba't ibang posisyon sa ibabaw na ito ay pumapasok sa diffractive waveguide sa iba't ibang anggulo. Para sa mga diffractive waveguides, ang iba't ibang anggulo ng insidente ay nagreresulta sa iba't ibang kahusayan ng diffraction, na humahantong sa mga hindi pagkakapare-pareho sa pangkalahatang liwanag ng imahe.

Samakatuwid, bilang karagdagan sa pag-optimize ng kahusayan ng diffraction para sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod ng diffraction, mahalaga din na i-optimize ang kahusayan ng diffraction para sa liwanag sa iba't ibang mga anggulo ng insidente upang matiyak ang pare-parehong liwanag.

3. Pag-optimize ng Diffraction Efficiency para sa Iba't ibang Wavelength

Ang iba't ibang kulay ng liwanag ay may iba't ibang wavelength, na nakakaapekto sa kanilang diffraction efficiency. Bilang karagdagan, ang iba't ibang mga wavelength ay nagreresulta sa iba't ibang mga anggulo ng diffraction, ibig sabihin, sa panahon ng proseso ng pagpapalawak ng pupil, ang dalas ng interaksyon ng iba't ibang kulay ng liwanag na may coupling out grating ay mag-iiba din. Ang dalawang salik na ito ay ginagawang hamon para sa bawat kulay ng liwanag na pumasok sa mata na may pantay na proporsyon ng enerhiya, na nagreresulta sa mga isyu sa pagkakapareho ng kulay. Kaya, ang pagkamit ng magandang pagkakapareho ng kulay sa mga imahe gamit ang isang single-layer diffractive waveguide ay mahirap.

Upang matiyak na ang liwanag ng iba't ibang wavelength ay lalabas na may pantay na proporsyon ng enerhiya, isang multi-layer (dalawang layer o higit pa) na stacking ng diffractive waveguides ay karaniwang ginagamit. Ang bawat layer ng diffractive waveguide ay na-optimize upang kontrolin at pahusayin ang enerhiya para sa isang partikular na hanay ng wavelength habang pinipigilan din ang cross-talk sa pagitan ng mga layer. Tinitiyak ng diskarteng ito na ang liwanag ng iba't ibang wavelength sa huli ay pumapasok sa mata na may pantay na proporsyon ng enerhiya, pagpapabuti ng pagkakapareho ng kulay at pagpapakita ng normal, makulay na mga imahe.

03 Buod

Sa isang banda, ang diffractive waveguides ay may dalawang pangunahing function: image isometric transfer at two-dimensional pupil expansion. Batay sa mga function na ito, binibigyang-daan ng mga ito na maging magaan at slim ang mga salamin sa AR habang tinatanggap ang mas malawak na hanay ng mga user, na nagbibigay ng malakas na pakiramdam ng pagsasawsaw at isang mahusay na visual na karanasan. Bukod pa rito, pinahuhusay ng pagsasama-sama ng mga proseso ng semiconductor ang paggawa ng diffractive waveguides, na naglalagay ng matatag na pundasyon para sa AR glasses upang makapasok sa consumer market.

Sa kabilang banda, bilang pangunahing teknolohiya ng pagpapakita para sa mga salamin sa AR, ang mga diffractive waveguides ay nag-aalok ng malaking potensyal ngunit nagpapakita rin ng makabuluhang kumplikado. Ang pag-optimize ng kahusayan sa diffraction ay dapat isaalang-alang mula sa maraming aspeto, kabilang ang mga order ng diffraction, anggulo ng insidente, at mga wavelength.

Sa patuloy na pag-unlad sa teknolohiya at higit pang pag-optimize ng performance, ang AR diffractive waveguides ay nakahanda upang dalhin ang AR glasses sa mga sambahayan, na nagniningning nang maliwanag sa panahon ng metaverse.