एआर ग्लासेस डिस्प्ले में डिफ्रैक्टिव वेवगाइड तकनीक कैसे काम करती है

हमारे पिछले लेख, 'एआर डिफ़्रैक्टिव वेवगाइड क्या है?' में, हमने डिफ़्रैक्टिव वेवगाइड के मूलभूत सिद्धांतों को समझाया और सतह राहत ग्रेटिंग वेवगाइड और वॉल्यूम होलोग्राफिक ग्रेटिंग वेवगाइड के बीच अंतर पर प्रकाश डाला। आज, हम विवर्तनिक वेवगाइड्स के मुख्य कार्यों और अनुकूलन दिशाओं में गहराई से उतरेंगे, चर्चा करेंगे कि सतह राहत झंझरी पर आधारित विवर्तनिक वेवगाइड्स एआर ग्लास के लिए मुख्यधारा प्रदर्शन तकनीक के रूप में क्यों उभर रहे हैं।

डिफ़्रेक्टिव वेवगाइड्स के 01 मुख्य कार्य

1. छवि आइसोमेट्रिक स्थानांतरण

हमारे पिछले लेखों से, हम जानते हैं कि एक सूक्ष्म-प्रक्षेपण प्रणाली (ऑप्टिकल इंजन) से उत्सर्जित प्रकाश को मानव आंख में निर्देशित करने के लिए एक विवर्तनिक वेवगाइड के लिए, इसे युग्मन और युग्मन प्रक्रियाओं से गुजरना होगा। विशेष रूप से, ऑप्टिकल इंजन द्वारा उत्सर्जित प्रकाश युग्मन झंझरी के माध्यम से फ्लैट वेवगाइड में प्रवेश करता है, इसके भीतर कुल आंतरिक प्रतिबिंब द्वारा फैलता है, और अंततः युग्मन आउट झंझरी द्वारा आंख में प्रेषित होता है।

इस प्रक्रिया का सबसे महत्वपूर्ण पहलू पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब है। लेकिन वास्तव में पूर्ण आंतरिक परावर्तन क्या है?

पूर्ण आंतरिक परावर्तन तब होता है जब प्रकाश उच्च अपवर्तक सूचकांक वाले माध्यम से कम अपवर्तक सूचकांक वाले माध्यम में यात्रा करता है, और घटना का कोण महत्वपूर्ण कोण से अधिक या उसके बराबर होता है। जब पूर्ण आंतरिक परावर्तन की शर्तें पूरी हो जाती हैं, तो प्रकाश बाहर प्रसारित हुए बिना परावर्तन द्वारा फ्लैट वेवगाइड के माध्यम से लगातार फैलता रहेगा, जिससे प्रकाश की दिशा बदलने की अनुमति मिलती है। पूर्ण आंतरिक परावर्तन से उत्पन्न एक प्रसिद्ध प्राकृतिक घटना मृगतृष्णा है।

आमतौर पर, एआर चश्मा एक ऑप्टिकल इंजन का उपयोग करके छवियों को आउटपुट करता है। हालाँकि, ऑप्टिकल इंजन को सीधे लेंस पर रखने से उपयोगकर्ता के दृश्य में बाधा आएगी और यह देखने में आकर्षक नहीं लगेगा। इसके अलावा, केवल ऑप्टिकल इंजन पर निर्भर रहने से आभासी और वास्तविक छवियों के विलय का वांछित प्रभाव प्राप्त नहीं होगा।

कुल आंतरिक प्रतिबिंब के सिद्धांत का लाभ उठाते हुए, विवर्तनिक वेवगाइड ऑप्टिकल इंजन द्वारा प्रक्षेपित छवियों का आइसोमेट्रिक स्थानांतरण कर सकते हैं, जिससे ऑप्टिकल इंजन को चश्मे के शीर्ष या किनारे पर स्थित किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण न केवल उपयोगकर्ता की दृष्टि की रेखा को बाधित करने से बचाता है, बल्कि उच्च प्रकाश संचरण दर और विवर्तनिक वेवगाइड की पतली प्रोफ़ाइल के कारण, आभासी-वास्तविक एकीकरण के वांछित प्रभाव को प्राप्त करते हुए एआर चश्मे को नियमित आईवियर के करीब लाता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि विवर्तनिक वेवगाइड पूरी तरह से छवि को आंखों में स्थानांतरित करने के लिए जिम्मेदार है और छवि की सामग्री को प्रभावित नहीं करता है, जिसका अर्थ है कि इसमें छवि के आकार को बढ़ाने या कम करने की क्षमता नहीं है।

2. द्वि-आयामी पुतली विस्तार

मानक ऑप्टिकल डिस्प्ले समाधानों में आमतौर पर पुतली विस्तार क्षमताओं का अभाव होता है, जिससे दर्शक केवल ऑप्टिकल इंजन के निकास पुतली के आकार (यानी, आंख की गति सीमा) की सीमा के भीतर ही छवियों को देख पाते हैं। उदाहरण के लिए, यदि ऑप्टिकल इंजन की निकास पुतली का माप φ5 मिमी है, तो उपयोगकर्ता छवि को केवल φ5 मिमी सीमा के भीतर ही देख सकता है। यह दुनिया को आंख के छेद से देखने के समान है, जो विसर्जन और दृश्य अनुभव को काफी कम कर देता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, विवर्तनिक वेवगाइड दो-आयामी पुतली विस्तार प्राप्त कर सकते हैं, एक कॉम्पैक्ट आकार और दृश्य के विस्तृत क्षेत्र को बनाए रखते हुए निकास पुतली को बड़ा कर सकते हैं। यह प्रभावी ढंग से दोनों दिशाओं में आंखों की गति की सीमा को बढ़ाता है, विसर्जन की एक बढ़ी हुई भावना और एक बेहतर दृश्य अनुभव प्रदान करता है, जबकि विभिन्न अंतर-प्यूपिलरी दूरियों को भी समायोजित करता है। यह विवर्तनिक वेवगाइड के दूसरे मुख्य कार्य का प्रतिनिधित्व करता है।

द्वि-आयामी पुतली विस्तार को लागू करने के लिए आम तौर पर दो दृष्टिकोण हैं। पहले में तीन एक-आयामी झंझरी (यानी, युग्मन झंझरी, झुकने वाली झंझरी, और युग्मन झंझरी) का उपयोग करना शामिल है। दूसरा दृष्टिकोण एक एक-आयामी झंझरी (युग्मन झंझरी) और एक दो-आयामी झंझरी (युग्मन झंझरी) को नियोजित करता है।

पहले दृष्टिकोण में, ऑप्टिकल इंजन से उत्सर्जित प्रकाश को युग्मन झंझरी के माध्यम से वेवगाइड में जोड़ा जाता है। इसके बाद प्रकाश पूर्ण आंतरिक परावर्तन से गुजरता है और झुकने वाली झंझरी से टकराता है, जहां प्रकाश का एक हिस्सा युग्मन आउट झंझरी पर पुनर्निर्देशित हो जाता है, जबकि शेष प्रकाश परावर्तन के माध्यम से आगे फैलता रहता है। यह प्रकाश फिर से झुकने वाली झंझरी से टकराएगा, और दूसरा भाग कपलिंग आउट झंझरी पर पुनर्निर्देशित हो जाएगा। एक-आयामी पुतली विस्तार प्राप्त करने के लिए इस प्रक्रिया को दोहराया जाता है।

अंत में, कपलिंग आउट ग्रेटिंग तक पहुंचने वाले प्रकाश का कुछ हिस्सा आंखों में विवर्तित हो जाएगा, जबकि शेष प्रकाश प्रतिबिंब के माध्यम से आगे फैलता रहेगा, फिर से कपलिंग आउट ग्रेटिंग के साथ संपर्क करेगा। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप एक-आयामी पुतली विस्तार की एक और दिशा प्राप्त होती है। जब ये दो एक-आयामी विस्तार संयुक्त होते हैं, तो वे एक द्वि-आयामी पुतली विस्तार बनाते हैं।

दूसरे दृष्टिकोण में, युग्मन झंझरी का उपयोग करके ऑप्टिकल इंजन से उत्सर्जित प्रकाश को वेवगाइड में युग्मित करके प्रक्रिया भी शुरू होती है। इसके बाद प्रकाश पूर्ण आंतरिक परावर्तन से गुजरता है और द्वि-आयामी युग्मन को झंझरी से टकराता है। इस बिंदु पर, प्रकाश का एक भाग आंख में विवर्तित हो जाता है, जबकि शेष प्रकाश विभाजित हो जाता है और क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दोनों दिशाओं में परावर्तन के माध्यम से आगे की ओर फैलता रहता है।

इसके बाद प्रकाश फिर से कपलिंग आउट ग्रेटिंग के साथ संपर्क करेगा, जहां एक अन्य भाग आंख में विवर्तित हो जाता है। इस प्रक्रिया को दोहराया जाता है, जिससे प्रभावी रूप से द्वि-आयामी पुतली विस्तार प्राप्त होता है।

उपरोक्त द्वि-आयामी पुतली विस्तार योजनाओं की भौतिक प्रक्रियाओं का वर्णन करता है। इसकी तुलना में, पहली योजना विवर्तनिक वेवगाइड के डिजाइन और निर्माण के मामले में अपेक्षाकृत सरल है, लेकिन यह अधिक समग्र लेंस क्षेत्र घेरती है। दूसरी ओर, दूसरी योजना में द्वि-आयामी झंझरी के उपयोग की आवश्यकता होती है, जो डिजाइन और निर्माण के लिए अधिक जटिल होती है, जिससे इसे लागू करना अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाता है। हालाँकि, इस दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप अधिक कॉम्पैक्ट समग्र संरचना बनती है, जिससे लेंस क्षेत्र में कमी आती है।

द्वि-आयामी पुतली विस्तार को नियोजित करके, हम न केवल आंखों की गति सीमा को बढ़ा सकते हैं और उपयोगकर्ता के विसर्जन को बढ़ा सकते हैं, बल्कि क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दोनों दिशाओं में ऑप्टिकल इंजन के वजन और आयाम को भी कम कर सकते हैं, जिससे एआर चश्मा हल्का और अधिक अनुकूलनीय बन जाता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि जबकि द्वि-आयामी पुतली विस्तार छवि को कई बार दोहराता है, हम वास्तव में केवल एक छवि देखते हैं, कई छवियां नहीं। ऐसा इसलिए है क्योंकि कपलिंग आउट ग्रेटिंग द्वारा प्रेषित छवि वास्तविक छवि नहीं बल्कि आभासी छवि है। इसके अतिरिक्त, मानव मस्तिष्क प्रकाश किरणों की विस्तारित दृष्टि रेखा का अनुसरण करके स्वयं को धोखा देता है। पुतली के विस्तार से उत्पन्न प्रकाश किरणें एक ही आभासी छवि के विभिन्न कोणों से मेल खाती हैं, इसलिए चाहे आंख विस्तारित प्रकाश किरणों की कितनी भी अलग-अलग स्थितियों को समझती हो, वे दृष्टि की विस्तारित रेखा के आधार पर एक ही छवि पर वापस आ जाएंगी।

उदाहरण के लिए, यह समतल दर्पण के माध्यम से मोमबत्ती को देखने के समान है। मोमबत्ती की रोशनी दर्पण से प्रतिबिंबित होती है और आंख में प्रवेश करती है, जो फिर प्रकाश किरणों की विस्तारित रेखा के आधार पर आभासी छवि की तलाश करती है। आरेख में दर्शाई गई तीन प्रकाश किरणों को विवर्तनिक वेवगाइड में तीन अलग-अलग स्थितियों पर विस्तारित प्रकाश किरणों के रूप में समझा जा सकता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, जब हम इन तीन प्रकाश किरणों को एक साथ देखते हैं, तो वे सभी एक ही छवि की ओर इशारा करते हैं।

इसके अतिरिक्त, एक आम ग़लतफ़हमी है कि विवर्तनिक वेवगाइड में कम ऊर्जा दक्षता होती है। वास्तव में, यह धारणा द्वि-आयामी पुतली विस्तार को प्राप्त करने की प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न होती है, जहां विवर्तनिक वेवगाइड को प्रकाश ऊर्जा को कई भागों में विभाजित करने और प्रत्येक निकास पुतली स्थिति में समान रूप से वितरित करने की आवश्यकता होती है। परिणामस्वरूप, प्रति इकाई क्षेत्र ऊर्जा स्वाभाविक रूप से कम हो जाती है। हालाँकि, यदि हम विवर्तनिक वेवगाइड से सभी प्रकाश किरणों को आँख में एकत्रित करें, तो हम पाएंगे कि इसकी ऊर्जा दक्षता वास्तव में कम नहीं है।

इस प्रकार, विवर्तनिक वेवगाइड की कथित कम ऊर्जा दक्षता का प्राथमिक कारण पुतली का विस्तार है। हालाँकि, विस्तार विवर्तनिक वेवगाइड की एक महत्वपूर्ण विशेषता है, और जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, यह कई फायदे प्रदान करता है। इसलिए, पुतली के विस्तार के एक निश्चित स्तर को बनाए रखते हुए ऊर्जा दक्षता को अधिकतम करना आवश्यक है।

02 डिफ़्रेक्टिव वेवगाइड के लिए तीन प्रमुख अनुकूलन दिशा-निर्देश

1. प्रकाश विवर्तन दक्षता का अनुकूलन

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, बहुत से लोग मानते हैं कि विवर्तनिक वेवगाइड में कम ऊर्जा दक्षता होती है। इस समस्या के समाधान के लिए, पुतली के विस्तार के एक निश्चित स्तर को बनाए रखते हुए प्रकाश की विवर्तन दक्षता को अनुकूलित करके ऊर्जा दक्षता में सुधार करना आवश्यक है।

चूंकि नैनोस्केल झंझरी का फीचर आकार प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के बराबर है, इसलिए प्रसार के दौरान प्रकाश को सामान्य किरणों के रूप में नहीं बल्कि विद्युत चुम्बकीय तरंगों के रूप में व्यवहार करना आवश्यक है। जब प्रकाश झंझरी से टकराता है, तो यह कई अलग-अलग दिशाओं (विवर्तन क्रम) में विभाजित हो जाता है, और अनिवार्य रूप से, इस प्रक्रिया में कुछ प्रकाश ऊर्जा खो जाती है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि अधिकांश प्रकाश ऊर्जा विवर्तनिक वेवगाइड में युग्मित है, हम आम तौर पर विवर्तनिक वेवगाइड के कार्य क्रम के रूप में एक विशिष्ट गैर-शून्य विवर्तन क्रम (जो कुल आंतरिक प्रतिबिंब स्थितियों को पूरा करते हैं) का चयन करते हैं। झंझरी अवधि, कर्तव्य चक्र, नाली की गहराई और साइडवॉल कोण जैसे मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित करके, हम प्रकाश की विवर्तन दक्षता को अनुकूलित कर सकते हैं, अधिकांश प्रकाश ऊर्जा को इस कार्य क्रम में केंद्रित कर सकते हैं। यह, बदले में, ऊर्जा दक्षता को बढ़ाता है और छवि चमक को बढ़ाने की अनुमति देता है।

2. विभिन्न घटना कोणों के लिए विवर्तन दक्षता का अनुकूलन

झंझरी को अनुकूलित करते समय विचार करने के लिए एक अन्य महत्वपूर्ण कारक विवर्तन दक्षता पर प्रकाश के घटना कोण का प्रभाव है।

चूँकि ऑप्टिकल इंजन द्वारा प्रक्षेपित छवि एक प्रकाश सतह बनाती है, इस सतह पर विभिन्न स्थितियों से प्रकाश अलग-अलग कोणों पर विवर्तनिक वेवगाइड में प्रवेश करता है। विवर्तनिक वेवगाइड के लिए, अलग-अलग घटना कोणों के परिणामस्वरूप अलग-अलग विवर्तन क्षमताएं होती हैं, जिससे छवि की समग्र चमक में विसंगतियां होती हैं।

इसलिए, एक विशिष्ट विवर्तन क्रम के लिए विवर्तन दक्षता को अनुकूलित करने के अलावा, समान चमक सुनिश्चित करने के लिए विभिन्न घटना कोणों पर प्रकाश के लिए विवर्तन दक्षता को अनुकूलित करना भी आवश्यक है।

3. विभिन्न तरंग दैर्ध्य के लिए विवर्तन दक्षता का अनुकूलन

प्रकाश के विभिन्न रंगों की तरंग दैर्ध्य अलग-अलग होती है, जो उनकी विवर्तन दक्षता को प्रभावित करती है। इसके अतिरिक्त, अलग-अलग तरंग दैर्ध्य के परिणामस्वरूप अलग-अलग विवर्तन कोण होते हैं, जिसका अर्थ है कि पुतली विस्तार प्रक्रिया के दौरान, युग्मन आउट ग्रेटिंग के साथ प्रकाश के विभिन्न रंगों की इंटरैक्शन आवृत्ति भी अलग-अलग होगी। ये दो कारक प्रकाश के प्रत्येक रंग के लिए समान ऊर्जा अनुपात के साथ आंख में प्रवेश करना चुनौतीपूर्ण बनाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप रंग एकरूपता के साथ समस्याएं पैदा होती हैं। इस प्रकार, एकल-परत विवर्तनिक वेवगाइड का उपयोग करके छवियों में अच्छी रंग एकरूपता प्राप्त करना मुश्किल है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि विभिन्न तरंग दैर्ध्य का प्रकाश समान ऊर्जा अनुपात के साथ बाहर निकलता है, विवर्तनिक तरंग गाइडों की एक बहु-परत (दो परतें या अधिक) स्टैकिंग आमतौर पर नियोजित होती है। विवर्तनिक वेवगाइड की प्रत्येक परत को परतों के बीच क्रॉस-टॉक को दबाने के साथ-साथ एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य सीमा के लिए ऊर्जा को नियंत्रित करने और बढ़ाने के लिए अनुकूलित किया गया है। यह दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि विभिन्न तरंग दैर्ध्य का प्रकाश अंततः समान ऊर्जा अनुपात के साथ आंखों में प्रवेश करता है, रंग एकरूपता में सुधार करता है और सामान्य, जीवंत छवियां प्रदर्शित करता है।

03 सारांश

एक ओर, विवर्तनिक वेवगाइड के दो मुख्य कार्य होते हैं: छवि आइसोमेट्रिक स्थानांतरण और द्वि-आयामी पुतली विस्तार। इन कार्यों के आधार पर, वे उपयोगकर्ताओं की एक विस्तृत श्रृंखला को समायोजित करते हुए एआर ग्लास को हल्का और पतला बनाते हैं, जो तल्लीनता की एक मजबूत भावना और एक उत्कृष्ट दृश्य अनुभव प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, सेमीकंडक्टर प्रक्रियाओं का एकीकरण विवर्तनिक वेवगाइड की विनिर्माण क्षमता को बढ़ाता है, जिससे उपभोक्ता बाजार में प्रवेश करने के लिए एआर ग्लास के लिए एक ठोस आधार तैयार होता है।

दूसरी ओर, एआर ग्लास के लिए मुख्यधारा डिस्प्ले तकनीक के रूप में, विवर्तनिक वेवगाइड बड़ी क्षमता प्रदान करते हैं लेकिन महत्वपूर्ण जटिलता भी पेश करते हैं। विवर्तन दक्षता के अनुकूलन पर विवर्तन आदेश, घटना कोण और तरंग दैर्ध्य सहित कई पहलुओं से विचार किया जाना चाहिए।

प्रौद्योगिकी में निरंतर प्रगति और आगे के प्रदर्शन अनुकूलन के साथ, एआर डिफ़्रेक्टिव वेवगाइड्स घरों में एआर ग्लास लाने के लिए तैयार हैं, जो मेटावर्स के युग में चमक रहे हैं।