Hogyan működik a diffrakciós hullámvezető technológia az AR-szemüveg-kijelzőben?

Korábbi cikkünkben, 'Mi az AR Diffractive Waveguide?', elmagyaráztuk a diffrakciós hullámvezetők alapelveit, és rávilágítottunk a felületi domborzati rácsos hullámvezetők és a térfogati holografikus rácsos hullámvezetők közötti különbségekre. Ma mélyebben beleásunk a diffrakciós hullámvezetők alapvető funkcióiba és optimalizálási irányaiba, megvitatva, hogy a felületi domborzati rácsokon alapuló diffrakciós hullámvezetők miért válnak az AR-szemüvegek fő megjelenítési technológiájává.

01 Diffraktív hullámvezetők alapvető funkciói

1. Kép ​​izometrikus átvitele

Korábbi cikkeinkből tudjuk, hogy ahhoz, hogy egy diffrakciós hullámvezető egy mikrovetítő rendszerből (optikai motorból) kibocsátott fényt az emberi szembe irányíthassa, csatolási és kicsatolási folyamatokon kell keresztülmennie. Pontosabban, az optikai motor által kibocsátott fény a csatoló rácson keresztül belép a lapos hullámvezetőbe, teljes belső visszaverődéssel terjed benne, és végül a kicsatoló rácson keresztül jut el a szemhez.

Ennek a folyamatnak a legfontosabb aspektusa a teljes belső reflexió. De mi is pontosan a teljes belső reflexió?

Teljes belső visszaverődés akkor következik be, amikor a fény egy magasabb törésmutatójú közegből egy alacsonyabb törésmutatójú közegbe jut, és a beesési szög nagyobb vagy egyenlő, mint a kritikus szög. Ha a teljes belső visszaverődés feltételei teljesülnek, a fény folyamatosan visszaverődés útján terjed a lapos hullámvezetőn keresztül anélkül, hogy kisugározna, ezáltal lehetővé válik a fény irányának megváltoztatása. A teljes belső reflexióból eredő jól ismert természeti jelenség a délibáb.

Az AR-szemüvegek általában egy optikai motor segítségével adják ki a képeket. Ha azonban az optikai motort közvetlenül az objektívre helyezi, az akadályozná a felhasználó kilátását, és vizuálisan nem vonzó. Ráadásul ha pusztán az optikai motorra hagyatkozunk, akkor nem érnénk el a virtuális és valós képek egyesítésének kívánt hatását.

A teljes belső visszaverődés elvét kihasználva a diffrakciós hullámvezetők végrehajthatják az optikai motor által kivetített képek izometrikus átvitelét, lehetővé téve az optikai motor elhelyezését a szemüveg tetején vagy oldalán. Ezzel a megközelítéssel nemcsak a felhasználó látószögének akadályozását kerüljük el, hanem a nagy fényáteresztési sebességnek és a diffrakciós hullámvezető vékony profiljának köszönhetően az AR-szemüveget is közelebb hozza a hagyományos szemüvegekhez, miközben eléri a virtuális-valós integráció kívánt hatását.

Fontos megjegyezni, hogy a diffrakciós hullámvezető kizárólag a képnek a szembe továbbításáért felelős, és magát a kép tartalmát nem befolyásolja, ami azt jelenti, hogy nem képes nagyítani vagy csökkenteni a kép méretét.

2. Kétdimenziós pupillatágítás

A szabványos optikai megjelenítési megoldások jellemzően hiányoznak a pupilla bővítési képességéből, ami azt korlátozza, hogy a néző csak az optikai motor kilépő pupillaméretének tartományán belül lássa a képeket (azaz a szem mozgási tartománya). Például, ha az optikai motor kilépő pupillája φ5 mm-es, a felhasználó csak φ5 mm-es tartományon belül tekintheti meg a képet. Ez olyan, mintha egy kukucskálón keresztül néznénk a világot, ami jelentősen csökkenti az elmélyülést és a vizuális élményt.

A probléma megoldása érdekében a diffrakciós hullámvezetők kétdimenziós pupillatágulást érhetnek el, megnövelve a kilépő pupillát, miközben megtartják a kompakt méretet és a széles látómezőt. Ez hatékonyan növeli a szem mozgási tartományát mindkét irányban, fokozott elmélyülést és jobb vizuális élményt biztosítva, miközben alkalmazkodik a különböző pupillatávolságokhoz. Ez a diffrakciós hullámvezetők második alapvető funkciója.

Általában két megközelítés létezik a kétdimenziós pupillatágítás megvalósítására. Az első három egydimenziós rács használatából áll (azaz kapcsolórács, hajlító rács és csatoló rács). A második megközelítés egy egydimenziós rácsot (kapcsolórács) és egy kétdimenziós rácsot (csatolórács) alkalmaz.

Az első megközelítésben az optikai motor által kibocsátott fény a kapcsolórácson keresztül a hullámvezetőbe kerül. A fény ezután teljes belső visszaverődésen megy keresztül, és nekiütközik a hajlító rácsnak, ahol a fény egy része átirányul a csatoló rácsra, míg a maradék fény visszaverődés útján tovább terjed előre. Ez a fény ismét megüti a hajlító rácsot, és egy másik rész átirányul a csatlakozó rácsra. Ezt a folyamatot megismételjük az egydimenziós pupillatágulás eléréséhez.

Végül a csatoló rácsot elérő fény egy része a szembe diffraktálódik, míg a fennmaradó fény visszaverődés útján tovább terjed, ismét kölcsönhatásba lépve a csatoló ráccsal. Ez a folyamat az egydimenziós pupillatágulás egy másik irányát eredményezi. Ha ezt a két egydimenziós tágulást kombináljuk, akkor kétdimenziós pupillatágulás jön létre.

A második megközelítésben a folyamat azzal is kezdődik, hogy az optikai motorból kibocsátott fényt a kapcsolórács segítségével a hullámvezetőbe csatolják. A fény ezután teljes belső visszaverődésen megy keresztül, és kiüti a kétdimenziós csatoló rácsot. Ezen a ponton a fény egy része a szem felé szóródik, míg a fennmaradó fény megoszlik, és vízszintes és függőleges irányban visszaverődés útján tovább terjed.

A fény ezután ismét kölcsönhatásba lép a csatoló ráccsal, ahol egy másik rész diffrakcióra kerül a szembe. Ez a folyamat megismétlődik, hatékonyan elérve a kétdimenziós pupillatágulást.

A fentiek a kétdimenziós pupilla-expanziós sémák fizikai folyamatait írják le. Összehasonlításképpen, az első séma viszonylag egyszerűbb a diffrakciós hullámvezető tervezése és gyártása szempontjából, de nagyobb lencseterületet foglal el. A második séma viszont kétdimenziós rácsok használatát teszi szükségessé, amelyek tervezése és gyártása bonyolultabb, így nagyobb kihívást jelent a megvalósítása. Ez a megközelítés azonban kompaktabb általános szerkezetet eredményez, ami lehetővé teszi az objektív területének csökkentését.

A kétdimenziós pupillatágítás alkalmazásával nem csak a szem mozgási tartományát növelhetjük, és fokozhatjuk a felhasználói elmélyülést, hanem csökkenthetjük az optikai motor tömegét és méreteit vízszintes és függőleges irányban is, így az AR szemüvegek könnyebbek és jobban alkalmazkodnak.

Fontos megjegyezni, hogy míg a kétdimenziós pupillatágulás többször megismétli a képet, valójában csak egy képet észlelünk, több képet nem. Ennek az az oka, hogy a csatoló rács által közvetített kép nem valós kép, hanem virtuális. Ezenkívül az emberi agy hajlamos becsapni magát azáltal, hogy követi az általa látott fénysugarak kiterjesztett látószögét. A pupillatágulás által generált fénysugarak ugyanazon virtuális kép különböző szögeinek felelnek meg, így függetlenül attól, hogy a szem hány különböző kitágult fénysugarat észlel, a meghosszabbított látóvonal alapján ugyanarra a képre vezet vissza.

Például hasonló ahhoz, mint egy gyertyát egy síktükörön keresztül megfigyelni. A gyertya fénye a tükörről visszaverődik, és bejut a szembe, amely a fénysugarak kiterjesztett vonala alapján keresi a virtuális képet. Az ábrán látható három fénysugár a diffrakciós hullámvezető három különböző pozíciójában lévő kitágult fénysugaraként értelmezhető. Ahogy az ábrán látható, ha ezt a három fénysugarat egyszerre látjuk, mind ugyanarra a képre mutatnak.

Ezenkívül általános tévhit, hogy a diffrakciós hullámvezetőknek alacsony az energiahatékonysága. A valóságban ez az észlelés a kétdimenziós pupillatágulás elérésének folyamata során jön létre, ahol a diffrakciós hullámvezetőnek több részre kell osztania a fényenergiát, és egyenletesen el kell osztania az egyes kilépő pupillapozíciókban. Ennek eredményeként az egységnyi területre jutó energia természetesen csökken. Ha azonban a diffrakciós hullámvezető összes fénysugarát összegyűjtenénk a szembe, azt találnánk, hogy energiahatékonysága valójában nem alacsony.

Így a diffrakciós hullámvezetők észlelt alacsony energiahatékonyságának elsődleges oka a pupilla tágulása. A tágulás azonban a diffrakciós hullámvezetők jelentős jellemzője, és mint korábban említettük, számos előnnyel jár. Ezért elengedhetetlen az energiahatékonyság maximalizálása, miközben a pupillatágulás bizonyos szintjét fenntartjuk.

02 Három fő optimalizálási irány a diffrakciós hullámvezetők számára

1. A fénydiffrakciós hatékonyság optimalizálása

Amint azt korábban említettük, sokan úgy érzik, hogy a diffrakciós hullámvezetőknek alacsony az energiahatékonysága. A probléma megoldásához javítani kell az energiahatékonyságot a fény diffrakciós hatásfokának optimalizálásával, miközben a pupillatágulás bizonyos szintjét fenntartjuk.

Mivel a nanoméretű rácsok jellemző mérete összemérhető a fény hullámhosszával, elengedhetetlen, hogy a fényt ne közönséges sugárzásként, hanem elektromágneses hullámként kezeljük a terjedés során. Amikor a fény éri a rácsot, az több különböző irányba oszlik (diffrakciós sorrend), és elkerülhetetlenül a fényenergia egy része elveszik a folyamat során.

Annak biztosítására, hogy a fényenergia többsége a diffrakciós hullámvezetőhöz kapcsolódjon, általában egy adott nem nulla diffrakciós sorrendet választunk (amely megfelel a teljes belső visszaverődési feltételeknek) a diffrakciós hullámvezető működési sorrendjeként. Az olyan paraméterek pontos szabályozásával, mint a rácsidő, a munkaciklus, a horonymélység és az oldalfal szöge, optimalizálhatjuk a fény diffrakciós hatásfokát, a fényenergia nagy részét ebbe a működési rendbe koncentrálva. Ez viszont növeli az energiahatékonyságot és lehetővé teszi a kép fényerejének növelését.

2. A diffrakciós hatékonyság optimalizálása különböző beesési szögekhez

Egy másik fontos tényező, amelyet figyelembe kell venni a rács optimalizálásakor, a fény beesési szögének hatása a diffrakciós hatékonyságra.

Mivel az optikai motor által kivetített kép világos felületet alkot, a fény ezen a felületen különböző pozíciókból változó szögben jut be a diffrakciós hullámvezetőbe. A diffrakciós hullámvezetők esetében a különböző beesési szögek eltérő diffrakciós hatásfokot eredményeznek, ami a kép általános fényerejének következetlenségéhez vezet.

Ezért a diffrakciós hatásfok adott diffrakciós sorrendhez való optimalizálása mellett elengedhetetlen a fény diffrakciós hatásfokának optimalizálása is különböző beesési szögeknél az egyenletes fényerő biztosítása érdekében.

3. Diffrakciós hatékonyság optimalizálása különböző hullámhosszokhoz

A különböző színű fények eltérő hullámhosszúak, ami befolyásolja diffrakciós hatékonyságukat. Ezenkívül a különböző hullámhosszak eltérő diffrakciós szögeket eredményeznek, ami azt jelenti, hogy a pupilla tágulási folyamata során a különböző színű fény kölcsönhatási gyakorisága a csatoló ráccsal is változik. Ez a két tényező megnehezíti, hogy a fény minden színe azonos energiaarányban kerüljön a szembe, ami problémákat okoz a színek egyenletességével kapcsolatban. Így nehéz jó színegyenletességet elérni a képeken egyrétegű diffrakciós hullámvezetővel.

Annak biztosítására, hogy a különböző hullámhosszúságú fény azonos energiaarányokkal távozzon, általában többrétegű (két vagy több rétegű) diffrakciós hullámvezetők egymásra halmozását alkalmazzák. A diffrakciós hullámvezető minden rétege úgy van optimalizálva, hogy szabályozza és növelje az energiát egy adott hullámhossz-tartományban, miközben elnyomja a rétegek közötti áthallást. Ez a megközelítés biztosítja, hogy a különböző hullámhosszú fények végső soron azonos energiaarányban juthassanak a szembe, javítva a színek egyenletességét és normál, élénk képeket jelenítsenek meg.

03 Összefoglaló

Egyrészt a diffrakciós hullámvezetőknek két alapvető funkciójuk van: a kép izometrikus átvitele és a kétdimenziós pupilla kitágítása. Ezeknek a funkcióknak köszönhetően lehetővé teszik, hogy az AR szemüvegek könnyűek és vékonyak legyenek, miközben a felhasználók szélesebb körét alkalmazzák, erős elmélyülést és kiváló vizuális élményt biztosítva. Ezenkívül a félvezető eljárások integrálása javítja a diffrakciós hullámvezetők gyárthatóságát, szilárd alapot teremtve az AR-üvegek fogyasztói piacra lépéséhez.

Másrészt, mint az AR-szemüvegek fő megjelenítési technológiája, a diffrakciós hullámvezetők nagy lehetőségeket kínálnak, de jelentős bonyolultságot is jelentenek. A diffrakciós hatékonyság optimalizálását több szempontból is figyelembe kell venni, beleértve a diffrakciós sorrendet, a beesési szögeket és a hullámhosszokat.

A technológia folyamatos fejlődésével és a teljesítmény további optimalizálásával az AR diffrakciós hullámvezetők készen állnak arra, hogy az AR-szemüvegeket a háztartásokba vigyék, fényesen ragyogva a metaverzum korszakában.