Comment fonctionne la technologie de guide d'ondes diffractive dans l'affichage des lunettes AR

Dans notre article précédent, « Qu'est-ce qu'un guide d'ondes diffractif AR ? », nous avons expliqué les principes fondamentaux des guides d'ondes diffractifs et mis en évidence les différences entre les guides d'ondes à réseau de relief en surface et les guides d'ondes à réseau holographique en volume. Aujourd'hui, nous allons approfondir les fonctions de base et les orientations d'optimisation des guides d'ondes diffractifs, en expliquant pourquoi les guides d'ondes diffractifs basés sur des réseaux de relief de surface émergent comme la technologie d'affichage dominante pour les lunettes AR.

01 Fonctions de base des guides d'ondes diffractifs

1. Transfert isométrique d'image

D'après nos articles précédents, nous savons que pour qu'un guide d'onde diffractif puisse diriger la lumière émise par un système de micro-projection (moteur optique) vers l'œil humain, il doit subir des processus de couplage et de déconnexion. Plus précisément, la lumière émise par le moteur optique pénètre dans le guide d'ondes plat à travers le réseau de couplage, s'y propage par réflexion interne totale et est finalement transmise à l'œil par le réseau de couplage.

L’aspect le plus crucial de ce processus est la réflexion interne totale. Mais qu’est-ce que la réflexion interne totale ?

La réflexion interne totale se produit lorsque la lumière se déplace d'un milieu avec un indice de réfraction plus élevé vers un milieu avec un indice de réfraction plus faible, et que l'angle d'incidence est supérieur ou égal à l'angle critique. Lorsque les conditions d'une réflexion interne totale sont remplies, la lumière se propage continuellement à travers le guide d'onde plat par réflexion sans être transmise, permettant ainsi de modifier la direction de la lumière. Un phénomène naturel bien connu résultant d’une réflexion interne totale est le mirage.

Généralement, les lunettes AR produisent des images à l’aide d’un moteur optique. Cependant, placer le moteur optique directement sur l'objectif obstruerait la vue de l'utilisateur et serait visuellement peu attrayant. De plus, s’appuyer uniquement sur le moteur optique ne permettrait pas d’obtenir l’effet souhaité de fusion d’images virtuelles et réelles.

Tirant parti du principe de réflexion interne totale, les guides d'ondes diffractifs peuvent effectuer un transfert isométrique des images projetées par le moteur optique, permettant au moteur optique d'être positionné en haut ou sur le côté des lunettes. Cette approche évite non seulement d'obstruer la ligne de mire de l'utilisateur, mais également, en raison du taux de transmission de la lumière élevé et du profil fin du guide d'onde diffractif, rapproche l'apparence des lunettes AR des lunettes ordinaires tout en obtenant l'effet souhaité d'intégration virtuel-réel.

Il est important de noter que le guide d'onde diffractif est uniquement responsable du transfert de l'image à l'œil et n'affecte pas le contenu de l'image elle-même, ce qui signifie qu'il n'a pas la capacité d'agrandir ou de réduire la taille de l'image.

2. Expansion bidimensionnelle des élèves

Les solutions d'affichage optique standard manquent généralement de capacités d'expansion de la pupille, ce qui limite le spectateur à voir les images uniquement dans la plage de la taille de la pupille de sortie du moteur optique (c'est-à-dire la plage de mouvement des yeux). Par exemple, si la pupille de sortie du moteur optique mesure φ5 mm, l'utilisateur ne peut visualiser l'image que dans une plage de φ5 mm. Cela revient à regarder le monde à travers un judas, ce qui diminue considérablement l’immersion et l’expérience visuelle.

Pour résoudre ce problème, les guides d'ondes diffractifs peuvent réaliser une expansion bidimensionnelle de la pupille, agrandissant la pupille de sortie tout en conservant une taille compacte et un large champ de vision. Cela augmente efficacement la plage de mouvements oculaires dans les deux directions, offrant une sensation d’immersion accrue et une expérience visuelle améliorée, tout en s’adaptant à différentes distances interpupillaires. Cela représente la deuxième fonction essentielle des guides d’ondes diffractifs.

Il existe généralement deux approches pour mettre en œuvre une expansion bidimensionnelle de la pupille. La première consiste à utiliser trois réseaux unidimensionnels (c'est-à-dire un réseau de couplage, un réseau de courbure et un réseau de couplage). La deuxième approche utilise un réseau unidimensionnel (réseau de couplage) et un réseau bidimensionnel (réseau de couplage).

Dans la première approche, la lumière émise par le moteur optique est couplée dans le guide d'ondes à travers le réseau de couplage. La lumière subit alors une réflexion interne totale et frappe le réseau de courbure, où une partie de la lumière est redirigée vers le réseau de couplage, tandis que la lumière restante continue de se propager vers l'avant par réflexion. Cette lumière frappera à nouveau la grille de courbure et une autre partie sera redirigée vers la grille de couplage. Ce processus est répété pour obtenir une expansion unidimensionnelle de la pupille.

Enfin, la lumière atteignant le réseau de couplage en verra une partie diffractée dans l'œil, tandis que la lumière restante continue de se propager par réflexion, interagissant à nouveau avec le réseau de couplage. Ce processus aboutit à une autre direction d’expansion unidimensionnelle de la pupille. Lorsque ces deux expansions unidimensionnelles sont combinées, elles créent une expansion pupillaire bidimensionnelle.

Dans la deuxième approche, le processus commence également par coupler la lumière émise par le moteur optique dans le guide d'ondes à l'aide du réseau de couplage. La lumière subit alors une réflexion interne totale et frappe le réseau de couplage bidimensionnel. À ce stade, une partie de la lumière est diffractée dans l’œil, tandis que la lumière restante est divisée et continue de se propager par réflexion dans les directions horizontale et verticale.

La lumière interagira alors à nouveau avec le réseau de couplage, où une autre partie est diffractée dans l’œil. Ce processus est répété, réalisant efficacement une expansion bidimensionnelle de la pupille.

Ce qui précède décrit les processus physiques des schémas d'expansion bidimensionnelle de la pupille. En comparaison, le premier schéma est relativement plus simple en termes de conception et de fabrication du guide d’onde diffractif, mais il occupe une plus grande surface globale de la lentille. Le deuxième schéma, en revanche, nécessite l’utilisation de caillebotis bidimensionnels, plus complexes à concevoir et à fabriquer, ce qui rend leur mise en œuvre plus difficile. Cependant, cette approche aboutit à une structure globale plus compacte, permettant une réduction de la surface de la lentille.

En utilisant l'expansion bidimensionnelle de la pupille, nous pouvons non seulement augmenter la plage de mouvements oculaires et améliorer l'immersion de l'utilisateur, mais également réduire le poids et les dimensions du moteur optique dans les directions horizontale et verticale, rendant les lunettes AR plus légères et plus adaptables.

Il est important de noter que même si l’expansion bidimensionnelle de la pupille reproduit l’image plusieurs fois, nous ne percevons en réalité qu’une seule image, et non plusieurs images. En effet, l'image transmise par le réseau de couplage n'est pas une image réelle mais virtuelle. De plus, le cerveau humain a tendance à se tromper en suivant la ligne de visée étendue des faisceaux lumineux qu’il voit. Les faisceaux lumineux générés par l'expansion de la pupille correspondent à différents angles de la même image virtuelle. Ainsi, quel que soit le nombre de positions différentes des faisceaux lumineux étendus que l'œil perçoit, ils remonteront à la même image en fonction de la ligne de visée étendue.

Par exemple, cela revient à observer une bougie à travers un miroir plan. La lumière de la bougie se reflète sur le miroir et pénètre dans l’œil, qui recherche alors l’image virtuelle en fonction de la ligne étendue des rayons lumineux. Les trois rayons lumineux représentés dans le diagramme peuvent être compris comme des faisceaux lumineux étendus à trois positions différentes dans le guide d'ondes diffractif. Comme le montre le schéma, lorsque nous voyons ces trois faisceaux lumineux simultanément, ils pointent tous vers la même image.

De plus, il existe une idée fausse répandue selon laquelle les guides d’ondes diffractifs ont une faible efficacité énergétique. En réalité, cette perception apparaît au cours du processus d’expansion bidimensionnelle de la pupille, où le guide d’onde diffractif doit diviser l’énergie lumineuse en plusieurs parties et la répartir uniformément sur chaque position de sortie de la pupille. En conséquence, l’énergie par unité de surface est naturellement réduite. Cependant, si nous devions collecter tous les rayons lumineux du guide d’onde diffractif dans l’œil, nous constaterions que son efficacité énergétique n’est en réalité pas faible.

Ainsi, la principale raison de la faible efficacité énergétique perçue des guides d’ondes diffractifs est l’expansion de la pupille. Cependant, l’expansion est une caractéristique importante des guides d’ondes diffractifs et, comme mentionné précédemment, elle offre de nombreux avantages. Il est donc essentiel de maximiser l’efficacité énergétique tout en maintenant un certain niveau d’expansion pupillaire.

02 Trois orientations majeures d'optimisation pour les guides d'ondes diffractifs

1. Optimisation de l’efficacité de la diffraction de la lumière

Comme mentionné précédemment, de nombreuses personnes pensent que les guides d’ondes diffractifs ont une faible efficacité énergétique. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire d’améliorer l’efficacité énergétique en optimisant l’efficacité de diffraction de la lumière tout en maintenant un certain niveau d’expansion de la pupille.

Étant donné que la taille des caractéristiques des réseaux nanométriques est comparable à la longueur d’onde de la lumière, il est essentiel de traiter la lumière non pas comme des rayons ordinaires mais comme des ondes électromagnétiques lors de sa propagation. Lorsque la lumière frappe le réseau, elle est divisée en plusieurs directions différentes (ordres de diffraction) et inévitablement, une partie de l'énergie lumineuse est perdue au cours du processus.

Pour garantir que la majorité de l'énergie lumineuse est couplée au guide d'onde diffractif, nous sélectionnons généralement un ordre de diffraction spécifique non nul (qui répond aux conditions de réflexion interne totale) comme ordre de fonctionnement du guide d'onde diffractif. En contrôlant avec précision des paramètres tels que la période de réseau, le rapport cyclique, la profondeur des rainures et l'angle des parois latérales, nous pouvons optimiser l'efficacité de diffraction de la lumière, en concentrant la majeure partie de l'énergie lumineuse dans cet ordre de fonctionnement. Ceci, à son tour, améliore l’efficacité énergétique et permet d’augmenter la luminosité de l’image.

2. Optimisation de l’efficacité de diffraction pour différents angles d’incident

Un autre facteur important à prendre en compte lors de l'optimisation du réseau est l'impact de l'angle d'incidence de la lumière sur l'efficacité de la diffraction.

Puisque l’image projetée par le moteur optique forme une surface lumineuse, la lumière provenant de différentes positions sur cette surface pénètre dans le guide d’onde diffractif sous différents angles. Pour les guides d'ondes diffractifs, différents angles d'incidence entraînent des efficacités de diffraction différentes, conduisant à des incohérences dans la luminosité globale de l'image.

Par conséquent, en plus d’optimiser l’efficacité de diffraction pour un ordre de diffraction spécifique, il est également essentiel d’optimiser l’efficacité de diffraction de la lumière sous différents angles d’incidence afin de garantir une luminosité uniforme.

3. Optimisation de l’efficacité de diffraction pour différentes longueurs d’onde

Différentes couleurs de lumière ont des longueurs d'onde variables, ce qui affecte leur efficacité de diffraction. De plus, les différentes longueurs d'onde entraînent différents angles de diffraction, ce qui signifie que pendant le processus d'expansion de la pupille, la fréquence d'interaction des différentes couleurs de lumière avec le réseau de couplage variera également. Ces deux facteurs font qu’il est difficile pour chaque couleur de lumière de pénétrer dans l’œil avec des proportions d’énergie égales, ce qui entraîne des problèmes d’uniformité des couleurs. Ainsi, il est difficile d’obtenir une bonne uniformité des couleurs dans les images à l’aide d’un guide d’onde diffractif monocouche.

Pour garantir que la lumière de différentes longueurs d'onde sort avec des proportions d'énergie égales, un empilement multicouche (deux couches ou plus) de guides d'ondes diffractifs est généralement utilisé. Chaque couche du guide d'onde diffractif est optimisée pour contrôler et améliorer l'énergie pour une plage de longueurs d'onde spécifique tout en supprimant également la diaphonie entre les couches. Cette approche garantit que la lumière de différentes longueurs d'onde pénètre finalement dans l'œil avec des proportions d'énergie égales, améliorant ainsi l'uniformité des couleurs et affichant des images normales et éclatantes.

03 Résumé

D’une part, les guides d’ondes diffractifs ont deux fonctions principales : le transfert isométrique d’image et l’expansion bidimensionnelle de la pupille. Basés sur ces fonctions, ils permettent aux lunettes AR d'être légères et fines tout en s'adaptant à un plus large éventail d'utilisateurs, offrant un fort sentiment d'immersion et une excellente expérience visuelle. De plus, l’intégration de processus semi-conducteurs améliore la fabricabilité des guides d’ondes diffractifs, jetant ainsi une base solide pour que les lunettes AR puissent entrer sur le marché grand public.

D’un autre côté, en tant que technologie d’affichage dominante pour les lunettes AR, les guides d’ondes diffractifs offrent un grand potentiel mais présentent également une complexité importante. L'optimisation de l'efficacité de diffraction doit être envisagée sous plusieurs aspects, notamment les ordres de diffraction, les angles d'incidence et les longueurs d'onde.

Grâce aux progrès technologiques continus et à l’optimisation des performances, les guides d’ondes diffractifs AR sont sur le point d’introduire les lunettes AR dans les foyers, brillant de mille feux à l’ère du métaverse.