Ano ang AR Diffractive Waveguide?

Ang diffractive waveguide ay isang mainstream optical display solution para sa AR glasses. Maraming AR device ang gumagamit ng teknolohiyang ito. Bakit ang mga pangunahing gumagawa ng AR hardware ay mahilig sa diffractive waveguides? Ano nga ba ang isang diffractive waveguide?

01 Kahulugan ng Diffractive Waveguide

Upang makakuha ng mas malalim na pag-unawa, maaari nating hatiin ang terminong 'diffractive waveguide' sa dalawang bahagi: diffraction at waveguide.

Karaniwan, alam natin na ang liwanag ay maaaring magpalaganap sa tatlong paraan: straight-line propagation, reflection, at refraction. Halimbawa, ang mga infrared na pasyalan, periscope, at ang hitsura ng isang straw kapag inilagay sa tubig ay nakabatay lahat sa tatlong prinsipyong ito. Ang diffraction, sa kabilang banda, ay ang ikaapat na paraan na maaaring magpalaganap ang liwanag.

Noong ika-17 siglo, natuklasan at nabuo ng Italyano na propesor sa matematika na si Francesco Grimaldi ang terminong 'diffraction,' na nagmula sa salitang Latin na 'diffringere,' na nangangahulugang 'to break into pieces.' Ito ay tumutukoy sa orihinal na direksyon ng wave propagation na 'nasira' at nakatungo sa iba't ibang direksyon.

Sa kanyang mga eksperimento, ipinasa niya ang isang sinag ng liwanag sa dalawang maliliit na siwang at papunta sa isang screen sa isang madilim na silid, na nagmamasid sa isang pattern ng liwanag at madilim na mga guhit sa mga gilid ng projection. Samakatuwid, ang diffraction ay tumutukoy sa pisikal na kababalaghan kung saan nagbabago ang direksyon ng pagpapalaganap ng alon kapag nakakaharap ng mga hadlang o hiwa.

Dahil sa katotohanan na ang kapansin-pansing mga epekto ng diffraction ay maaari lamang maobserbahan kapag ang laki ng isang balakid o ang lapad ng isang hiwa ay maihahambing o mas maliit kaysa sa haba ng daluyong ng alon, kadalasan ay mahirap makita ang light diffraction sa ating pang-araw-araw na buhay. Gayunpaman, sa ilalim ng ilang mga espesyal na kondisyon, maaari nating obserbahan ito. Halimbawa, ang kababalaghang 'kaluwalhatian' na nakikita sa kalangitan, na lumilitaw bilang isang makulay na halo sa paligid ng mga anino, ay isang resulta ng sikat ng araw na nagdi-diffracte sa pamamagitan ng maliliit na patak ng tubig at mga kristal ng yelo sa mga ulap.

Napag-usapan ang diffraction, ano nga ba ang waveguide?

Sa ating mundo, mayroong iba't ibang uri ng mga alon, kabilang ang mga light wave, sound wave, at electromagnetic wave.

Ang waveguide ay isang aparato na nagpapadala ng mga alon na ito mula sa isang lokasyon patungo sa isa pa. Kaya, ang isang light waveguide ay isang medium o device na gumagabay sa mga light wave habang sila ay nagpapalaganap.

Sa pag-unawa sa parehong diffraction at waveguides, maaari nating tukuyin ang isang diffractive waveguide: sa madaling salita, ito ay isang medium na gumagamit ng diffraction ng liwanag upang gabayan ang mga light wave habang sila ay naglalakbay.

Diffractive waveguide

Upang ipaliwanag pa, ang isang diffractive waveguide ay idinisenyo upang gamitin ang mga katangian ng diffraction ng mga grating upang lumikha ng isang 'light path,' na nagpapahintulot sa liwanag na dumami sa isang paunang natukoy na ruta at ginagabayan ang liwanag na ibinubuga mula sa isang micro-projection system patungo sa mata ng tao.

Ang diffractive grating, isang optical element na may periodic structure, ay ang pangunahing bahagi ng diffractive waveguide. Batay sa uri ng grating na ginamit, ang mga diffractive waveguides ay maaaring ikategorya sa dalawang uri: surface relief grating waveguides at volume holographic grating waveguides.

02 Surface Relief Grating Waveguide

Ang mga surface relief grating ay nilikha sa pamamagitan ng 'sculpting' matataas na taluktok at mababang lambak sa ibabaw ng isang materyal sa pamamagitan ng mga proseso tulad ng photolithography at etching. Ang pamamaraan ng katha na ito ay nakakamit ng isang pana-panahong istraktura na nakakatugon sa kinakailangang pagganap ng optical.

Ang mga grating na ito ay minamanipula ang liwanag na nakikipag-ugnayan sa kanila, na nagbibigay-daan para sa epektibong diffraction at paggabay ng liwanag sa loob ng waveguide. Ang mga surface relief grating ay malawakang ginagamit dahil sa kanilang pagiging simple sa paggawa at ang kanilang kakayahang maisama sa iba't ibang optical system.

SEM Image ng Surface Relief Grating

Surface Relief Grating Waveguide upang gabayan ang liwanag na ibinubuga mula sa isang micro-projection system (optical engine) papunta sa mata ng tao, ang liwanag ay dapat dumaan sa mga proseso ng pag-coupling at pag-coupling out. Sa partikular, ang ilaw na ibinubuga mula sa optical engine ay pumapasok sa waveguide sa pamamagitan ng input grating, kumakalat sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni sa loob ng flat waveguide, at sa wakas ay ipinapadala sa mata ng tao sa pamamagitan ng output grating. Ang input at output grating na ginamit dito ay surface relief gratings.

Dahil sa mga tampok na nanoscale ng grating na maihahambing sa haba ng daluyong ng liwanag, ang liwanag ay hindi dapat ituring bilang mga ordinaryong sinag ngunit sa halip ay ituring bilang mga electromagnetic wave. Kapag tumama ang liwanag sa rehas na bakal, sumasailalim ito sa multi-order diffraction.

Halimbawa, kung ang optical engine ay naglalabas ng monochromatic na ilaw (tulad ng berdeng ilaw), ang ilaw na ito ay mahahati sa ilang beam na naglalakbay sa iba't ibang direksyon (mga order ng diffraction) sa pagpindot sa input grating. Ang isa sa mga di-zero na diffraction order na ito (hal., +1 order) ay makakatugon sa kabuuang panloob na kondisyon ng pagmuni-muni ng flat waveguide, na magbibigay-daan dito na makapasok at magpalaganap sa waveguide sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni. Ang tiyak na pagkakasunud-sunod ng diffraction na ito ay tinutukoy bilang ang working order ng diffractive waveguide. Sa pamamagitan ng tumpak na pagkontrol sa mga parameter tulad ng panahon, duty cycle, groove depth, at sidewall angle ng grating, ang karamihan ng light energy ay maaaring ma-concentrate sa working order ng diffractive waveguide, na epektibong pinagsama ang karamihan sa light energy sa waveguide. Ang prosesong ito ay kilala bilang ang coupling-in na proseso ng diffractive waveguide.

Kasabay nito, kapag ang liwanag na nagpapalaganap sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni sa loob ng diffractive waveguide ay nakatagpo ng output grating, ito ay magbubunga din ng ilang mga order ng diffraction. Ang isa sa mga di-zero na order na ito ay lalabas sa diffractive waveguide sa isang partikular na direksyon, pagkatapos ay papasok sa mata ng tao. Ito ay kilala bilang ang coupling-out na proseso ng diffractive waveguide.

Kung ang optical engine ay naglalabas ng kulay na liwanag, bilang karagdagan sa mga nabanggit na proseso, magkakaroon ng iba pang mga kumplikadong kasangkot. Dahil sa iba't ibang wavelength ng iba't ibang kulay ng liwanag, ang kanilang diffraction efficiencies ay mag-iiba rin. Dahil dito, sa panahon ng pagpapalaganap, ang enerhiya ng bawat kulay ng liwanag ay maaaring mawala sa iba't ibang antas, na nagreresulta sa pagpapakalat. Sa pamamagitan ng pag-optimize ng iba't ibang mga parameter ng grating, tiyak na makokontrol ng grating ang enerhiya ng iba't ibang wavelength ng liwanag, sa gayon ay pinapaliit ang mga isyu sa dispersion at sa huli ay nagbibigay-daan sa amin na makakita ng mga larawang may tumpak na kulay.

Upang matugunan ang mga kumplikadong isyu ng diffraction ng grating, ang kumpanya ay bumuo ng isang komprehensibong suite ng software ng pagkalkula para sa iba't ibang uri ng mga grating, batay sa Fourier Modal Method (FMM), na mabilis at tumpak na makakakalkula ng mga problema sa diffraction na nauugnay sa mga grating.

Bukod dito, ang kumpanya ay nagtataglay ng isang kumpleto sa gamit na rehas na master processing center at isang kumpletong mass production system para sa diffractive waveguides, na nakakamit ng malapit na koordinasyon sa pagitan ng disenyo at pagmamanupaktura. Kapag nagdidisenyo ng mga grating, maaaring isaalang-alang ang mga kakayahan sa pagproseso ng master at ang mga diskarte sa produksyon, na nagbibigay-daan para sa napapanahong mga pagsasaayos at pag-optimize kapag lumitaw ang mga isyu, na nagreresulta sa isang mabilis na ikot ng pag-ulit ng produkto.

Ang diffractive waveguide, na lubos na pinapaboran ng mga pangunahing AR hardware manufacturer, ay partikular na tumutukoy sa surface relief grating waveguide. Kabilang sa mga bentahe nito ang manipis na disenyo, malaking larangan ng view, malawak na hanay ng paggalaw ng mata, at mababang gastos sa mass production, na ginagawa itong malawak na itinuturing bilang pangunahing ruta ng teknolohiya ng pagpapakita sa industriya ng AR.

03 Volume Holographic Grating Waveguide

Ang proseso ng pagpapalaganap ng liwanag sa isang volume holographic grating waveguide ay pangunahing katulad ng sa isang surface relief grating waveguide.

Ang pangunahing pagkakaiba ay nakasalalay sa kung paano nilikha ang volume holographic grating. Sa halip na 'i-sculpted,' ang volume holographic grating ay nabuo sa pamamagitan ng paglalantad ng isang photoresist film sa isang substrate sa mga pattern ng interference na nilikha ng dalawang magkakaugnay na sinag ng liwanag. Ang prosesong ito ay bumubuo ng isang panaka-nakang spatial na pamamahagi na may iba't ibang mga refractive na indeks sa antas ng molekular. Ang dami ng holographic grating ay karaniwang gumagana sa ilalim ng mga kondisyon ng Bragg diffraction.

Ano ang mga Kondisyon ng Bragg Diffraction?

Noong 1912, natuklasan ng Aleman na siyentipiko na si Max von Laue ang kababalaghan ng X-ray diffraction sa mga kristal, na naglalagay ng batayan para sa pag-aaral ng X-ray diffraction physics. Sa parehong taon, si Lawrence Bragg, sa pamamagitan ng paulit-ulit na pag-aaral sa Cavendish Laboratory, ay napagpasyahan na ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay isang uri ng epekto ng wave diffraction.

Noong 1913, magkasamang iminungkahi ni Lawrence Bragg at ng kanyang ama na si Henry Bragg ang Bragg form ng X-ray diffraction (kilala bilang Bragg diffraction). Natagpuan nila na kapag ang mga subatomic particle wave ay pumasok sa isang kristal, kung ang wavelength ng mga particle wave ay malapit sa distansya sa pagitan ng mga atomo sa kristal, ang mga particle wave ay ikakalat ng mga atom sa isang tulad-salamin na paraan. Ang scattering na ito ay magreresulta sa nakabubuo na interference ayon sa batas ni Bragg, na bumubuo ng mga concentrated peak ng waves (kilala bilang Bragg peaks). Ang mga kondisyon ng Bragg ay ang mga pamantayan na dapat matugunan para mangyari ang nakabubuo na interference.

Schematic diagram ng Bragg diffraction

Batay sa prinsipyo ng Bragg diffraction, kapag ang mga light wave ay nakakatugon sa mga kondisyon ng Bragg, ang volume holographic grating ay maaaring makamit ang napakataas na kahusayan sa diffraction. Gayunpaman, ang mga kondisyon ng Bragg ay nagpapataw ng mahigpit na mga kinakailangan sa anggulo at wavelength ng liwanag ng insidente. Kung ang mga kundisyong ito ay hindi natutugunan, ang diffraction efficiency ay maaaring mabilis na bumaba. Nagreresulta ito sa dami ng holographic grating waveguides na nakikipagpunyagi upang makamit ang magandang pagkakapareho ng kulay, na nabigo upang matugunan ang mga pangangailangan sa merkado.

Sa kasalukuyan, ang volume holographic grating waveguides ay nagpapakita ng malalaking gaps kumpara sa surface relief grating waveguides sa mga tuntunin ng display performance, komersyalisasyon ng produkto, at pang-industriyang suporta.

04 Buod

Ginagamit ng AR diffractive waveguides ang mga katangian ng diffraction ng mga grating upang magdisenyo ng 'mga light path,' na nagpapahintulot sa liwanag na ibinubuga mula sa mga micro-projection system na maidirekta sa mata ng tao. Batay sa uri ng diffraction grating na ginamit, ang diffractive waveguides ay maaaring uriin sa surface relief grating waveguides at volume holographic grating waveguides.

Ang mga surface relief grating waveguides ay nag-aalok ng mga pakinabang tulad ng pagiging magaan, pagkakaroon ng malaking field of view, malawak na hanay ng paggalaw ng mata, at mababang gastos sa mass production. Dahil dito, malawak na itinuturing ang mga ito bilang pangunahing teknolohiya ng pagpapakita sa industriya ng AR. Habang ang volume holographic grating waveguides ay nagpapakita ng napakataas na kahusayan sa diffraction, nahihirapan sila sa pagkakapareho ng kulay dahil sa mahigpit na kondisyon ng Bragg diffraction at nasa mga unang yugto pa rin ng pag-unlad ng teknolohiya, na nangangailangan ng mga makabuluhang pag-unlad upang makamit ang mga tagumpay.

Sa patuloy na pagsulong sa teknolohiya at pagpapahusay sa pagproseso, nagsisimula nang pumasok sa merkado ng consumer ang AR diffractive waveguides batay sa surface relief gratings. Pinaniniwalaan na sa hinaharap, magbibigay sila ng mga natatanging karanasan sa pagpapakita ng AR para sa higit pang mga tagagawa ng AR hardware.