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, be- és kikapcsolási folyamatokon kell keresztülmennie. Pontosabban, az optikai motor által kibocsátott fény a csatolórácson 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 elzárását 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 úgy 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 leírják a kétdimenziós pupilla expanziós sémák fizikai folyamatait. Összehasonlításképpen, az első séma viszonylag egyszerűbb a diffraktív hullámvezető tervezése és gyártása szempontjából, de nagyobb lencseterületet foglal el. A második séma viszont kétdimenziós rácsok használatát igényli, 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 felhasználó elmerülését, hanem csökkenthetjük az optikai motor súlyát és méreteit vízszintes és függőleges irányban is, így az AR szemüvegek könnyebbek és jobban alkalmazkodóak.

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 ugyanannak a virtuális képnek különböző szögeinek felelnek meg, így függetlenül attól, hogy a szem hányféle kitágult fénysugarat észlel, a meghosszabbított látóvonal alapján ugyanarra a képre fog visszavezetni.

Például hasonló ahhoz, mint egy gyertyát egy síktükörön keresztül megfigyelni. A gyertya fénye a tükörről visszaverődik, és bejut a szembe, amely a fénysugarak meghosszabbított vonala alapján keresi a virtuális képet. Az ábrán látható három fénysugár a diffrakciós hullámvezető három különböző pozíciójában lévő kitágult fénysugárként 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 hullámvezetőből származó összes fénysugarat a szembe gyűjtenénk, 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

Mint 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 nagy része a diffrakciós hullámvezetőhöz kapcsolódjon, általában egy adott nem nulla diffrakciós sorrendet választunk (amely megfelel a teljes belső visszaverődés feltételeinek) 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 inkonzisztenciájához vezet.

Ezért a diffrakciós hatásfok egy 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 egyenlő 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 jeleníthessenek meg.

03 Összefoglaló

Egyrészt a diffrakciós hullámvezetőknek két alapvető funkciójuk van: a kép izometrikus átvitele és a kétdimenziós pupilla kitágítása. Ezeknek a funkcióknak köszönhetően az AR-szemüvegek könnyűek és vékonyak lehetnek, miközben a felhasználók szélesebb köréhez illeszkednek, 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 összetettséget 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, és ragyogóan ragyogjanak a metaverzum korszakában.