Mi az AR Diffractive Waveguide?

A diffrakciós hullámvezető egy általános optikai megjelenítési megoldás AR szemüvegekhez. Sok AR-eszköz alkalmazza ezt a technológiát. Miért szeretik a nagy AR-hardvergyártók annyira a diffrakciós hullámvezetőket? Mi is pontosan a diffrakciós hullámvezető?

01 A diffrakciós hullámvezető definíciója

A mélyebb megértés érdekében a 'diffrakciós hullámvezető' kifejezést két részre bonthatjuk: diffrakcióra és hullámvezetőre.

Általában tudjuk, hogy a fény háromféleképpen terjedhet: egyenes vonalú terjedéssel, visszaverődéssel és fénytöréssel. Például az infravörös irányzékok, periszkópok és az, ahogyan a szívószál vízbe helyezve meggörbül, mind ezen a három alapelven alapulnak. Másrészt a diffrakció a fény terjedésének negyedik módja.

A 17. században Francesco Grimaldi olasz matematikus professzor fedezte fel és alkotta meg a 'diffrakció' kifejezést, amely a latin 'diffringere' szóból származik, jelentése 'darabokra törni'. Ez arra utal, hogy a hullámterjedés eredeti iránya 'megtört' és különböző irányokba hajlott.

Kísérletei során egy fénysugarat két kis nyíláson át egy sötét szobában lévő képernyőre bocsátott, és a vetítés szélein világos és sötét csíkok mintázatát figyelte meg. Ezért a diffrakció azt a fizikai jelenséget jelenti, amelyben a hullámterjedés iránya megváltozik, amikor akadályokba vagy résekbe ütközik.

Tekintettel arra, hogy észrevehető diffrakciós hatások csak akkor figyelhetők meg, ha egy akadály mérete vagy egy rés szélessége összemérhető vagy kisebb, mint a hullám hullámhossza, mindennapi életünkben gyakran nehéz észrevenni a fényelhajlást. Bizonyos speciális feltételek mellett azonban megfigyelhetjük. Például az égen látható 'dicsőség' jelenség, amely az árnyékok körül színes fényudvarként jelenik meg, a napfény kis vízcseppeken és a felhőkben lévő jégkristályokon keresztül történő eloszlásának eredménye.

A diffrakció tárgyalása után mi is pontosan a hullámvezető?

Világunkban különféle típusú hullámok léteznek, beleértve a fényhullámokat, a hanghullámokat és az elektromágneses hullámokat.

A hullámvezető egy olyan eszköz, amely ezeket a hullámokat egyik helyről a másikra továbbítja. Így a fényhullámvezető olyan közeg vagy eszköz, amely a fényhullámokat terjedésük során vezeti.

Ha mind a diffrakciót, mind a hullámvezetőket megértjük, meg tudjuk határozni a diffrakciós hullámvezetőt: egyszerűen fogalmazva, ez egy olyan közeg, amely a fény diffrakcióját használja fel a fényhullámok továbbítására, miközben azok haladnak.

Diffrakciós hullámvezető

További magyarázatként egy diffrakciós hullámvezetőt úgy terveztek, hogy a rácsok diffrakciós tulajdonságait kihasználva 'fényút' hozzon létre, amely lehetővé teszi a fény előre meghatározott útvonalon történő terjedését, és a mikrovetítő rendszerből kibocsátott fényt az emberi szembe irányítja.

A diffrakciós rács, egy periodikus szerkezetű optikai elem, a diffrakciós hullámvezető központi eleme. A használt rács típusa alapján a diffrakciós hullámvezetőket két típusba sorolhatjuk: felületi domborműves rácsos hullámvezetőkre és térfogati holografikus rácsos hullámvezetőkre.

02 Felületi tehermentesítő rácsos hullámvezető

A felszíni domborműves rácsok magas csúcsok és alacsony völgyek 'faragásával' az anyag felületén jönnek létre olyan eljárások segítségével, mint például a fotolitográfia és a marat. Ezzel a gyártási technikával olyan periodikus szerkezet érhető el, amely megfelel a szükséges optikai teljesítménynek.

Ezek a rácsok manipulálják a velük kölcsönhatásba lépő fényt, lehetővé téve a fény hatékony diffrakcióját és vezetését a hullámvezetőn belül. A felületi domborműves rácsokat széles körben használják gyártásuk egyszerűsége és különféle optikai rendszerekbe való integrálhatóságuk miatt.

SEM képe a felületi tehermentesítő rácsról

Surface Relief Grating Waveguide, amely a mikrovetítő rendszerből (optikai motorból) kibocsátott fényt az emberi szembe vezeti, a fénynek át kell haladnia a be- és kicsatolás folyamatain. Pontosabban, az optikai motor által kibocsátott fény a bemeneti rácson keresztül belép a hullámvezetőbe, a lapos hullámvezetőn belüli teljes belső visszaverődésen keresztül terjed, és végül a kimeneti rácson keresztül továbbítja az emberi szemhez. Az itt használt bemeneti és kimeneti rácsok felületi domborműves rácsok.

Mivel a rács nanoméretű tulajdonságai összemérhetőek a fény hullámhosszával, a fényt nem szabad közönséges sugárzásnak tekinteni, hanem elektromágneses hullámnak kell tekinteni. Amikor fény éri a rácsot, többrendű diffrakción megy keresztül.

Például, ha az optikai motor monokromatikus fényt (például zöld fényt) bocsát ki, akkor ez a fény több, különböző irányban haladó sugárra oszlik (diffrakciós sorrendben), amikor a bemeneti rácsot érinti. Ezen nem nulla diffrakciós sorrendek egyike (pl. +1 sorrend) kielégíti a lapos hullámvezető teljes belső reflexiós feltételét, lehetővé téve, hogy a teljes belső visszaverődésen keresztül belépjen a hullámvezetőbe és továbbterjedjen. Ezt a speciális diffrakciós sorrendet a diffrakciós hullámvezető működési sorrendjének nevezik. Az olyan paraméterek pontos szabályozásával, mint a periódus, a munkaciklus, a horonymélység és a rács oldalfali szöge, a fényenergia nagy része a diffrakciós hullámvezető működési rendjébe koncentrálható, hatékonyan kapcsolva a fényenergia nagy részét a hullámvezetőbe. Ezt a folyamatot a diffrakciós hullámvezető csatolási folyamatának nevezik.

Ennek megfelelően, amikor a diffrakciós hullámvezetőben a teljes belső visszaverődésen keresztül terjedő fény találkozik a kimenő ráccsal, akkor több diffrakciós rendet is létrehoz. E nullától eltérő sorrendek egyike egy adott irányban kilép a diffrakciós hullámvezetőből, majd belép az emberi szembe. Ezt a diffraktív hullámvezető csatolási folyamatának nevezik.

Ha az optikai motor színes fényt bocsát ki, akkor az előbb említett folyamatokon kívül egyéb bonyolultságokkal is jár. A különböző színű fények eltérő hullámhossza miatt diffrakciós hatásfokuk is eltérő lesz. Következésképpen a terjedés során az egyes fényszínek energiája különböző mértékben elveszhet, ami diszperziót eredményez. A különféle rácsparaméterek optimalizálásával a rács pontosan tudja szabályozni a különböző hullámhosszú fény energiáját, ezáltal minimalizálja a diszperziós problémákat, és végső soron lehetővé teszi számunkra, hogy pontos színekkel láthassuk a képeket.

A rácsos diffrakció összetett problémáinak megoldására a vállalat a Fourier modális módszeren (FMM) alapuló, átfogó számítási szoftvercsomagot fejlesztett ki különböző típusú rácsokhoz, amely gyorsan és pontosan képes kiszámítani a rácsokkal kapcsolatos diffrakciós problémákat.

Ezen túlmenően a cég rendelkezik egy teljesen felszerelt rácsos főmegmunkáló központtal és egy komplett tömeggyártási rendszerrel a diffrakciós hullámvezetők számára, szoros koordinációt biztosítva a tervezés és a gyártás között. A rácsok tervezésekor figyelembe lehet venni a mester feldolgozási képességeit és a gyártási technikákat, lehetővé téve az időben történő beállítást és optimalizálást, amikor problémák merülnek fel, ami gyors termékiterációs ciklust eredményez.

A nagy AR hardvergyártók által nagyon kedvelt diffrakciós hullámvezető kifejezetten a felületi domborzati rácsos hullámvezetőre vonatkozik. Előnyei közé tartozik a vékony kialakítás, a nagy látómező, a széles szemmozgási tartomány és az alacsony tömeggyártási költségek, így széles körben az AR-ipar fő megjelenítési technológiai útjaként tartják számon.

03 kötet Holografikus rácsos hullámvezető

A fény terjedési folyamata egy térfogati holografikus rácsos hullámvezetőben alapvetően hasonló a felületi domborműves rácsos hullámvezetőkéhez.

A legfontosabb különbség a térfogati holografikus rács létrehozásában rejlik. Ahelyett, hogy 'faragták', a térfogati holografikus rácsot úgy alakítják ki, hogy egy szubsztrátumon lévő fotoreziszt filmet két koherens fénysugár által létrehozott interferencia-mintázatnak tesznek ki. Ez a folyamat periodikus térbeli eloszlást hoz létre molekuláris szinten változó törésmutatókkal. A térfogati holografikus rácsok jellemzően Bragg diffrakciós körülmények között működnek.

Mik azok a Bragg-diffrakciós feltételek?

Max von Laue német tudós 1912-ben fedezte fel a röntgendiffrakció jelenségét a kristályokban, ami megalapozta a röntgendiffrakciós fizika tanulmányozását. Ugyanebben az évben Lawrence Bragg a Cavendish Laboratóriumban végzett ismételt tanulmányok során arra a következtetésre jutott, hogy ez a jelenség a hullámdiffrakciós hatás egyik fajtája.

1913-ban Lawrence Bragg és apja, Henry Bragg közösen javasolták a röntgendiffrakció Bragg-formáját (Bragg-diffrakcióként ismert). Azt találták, hogy amikor a szubatomi részecskehullámok belépnek egy kristályba, és ha a részecskehullámok hullámhossza közel van a kristály atomjai közötti távolsághoz, akkor a részecskehullámokat az atomok tükörszerűen szétszórják. Ez a szóródás a Bragg-törvény szerint konstruktív interferenciát eredményez, és koncentrált hullámcsúcsokat (Bragg-csúcsokat) képez. A Bragg-feltételek azok a kritériumok, amelyeknek teljesülniük kell a konstruktív interferencia előfordulásához.

A Bragg-diffrakció vázlatos diagramja

A Bragg-diffrakció elve alapján, ha a fényhullámok megfelelnek a Bragg-feltételeknek, a térfogati holografikus rácsok nagyon magas diffrakciós hatásfokot érhetnek el. A Bragg-feltételek azonban szigorú követelményeket támasztanak a beeső fény szögével és hullámhosszával kapcsolatban. Ha ezek a feltételek nem teljesülnek, a diffrakciós hatásfok gyorsan csökkenhet. Ez azt eredményezi, hogy a térfogati holografikus rácsos hullámvezetők küzdenek a jó színegyenletesség eléréséért, ami nem felel meg a piaci igényeknek.

Jelenleg a térfogati holografikus rácsos hullámvezetők jelentős eltéréseket mutatnak a felületi domborzati rácsos hullámvezetőkhöz képest a kijelző teljesítménye, a termék kereskedelmi forgalomba hozatala és az ipari támogatás tekintetében.

04 Összegzés

Az AR diffrakciós hullámvezetők a rácsok diffrakciós jellemzőit használják fel 'fénypályák' tervezésére, lehetővé téve, hogy a mikrovetítő rendszerekből kibocsátott fényt az emberi szembe irányítsák. Az alkalmazott diffrakciós rács típusa alapján a diffrakciós hullámvezetőket felületi domborműves rácsos hullámvezetőkre és térfogati holografikus rácsos hullámvezetőkre oszthatjuk.

A felületi domborítású rácsos hullámvezetők olyan előnyöket kínálnak, mint a könnyű súly, a nagy látómező, a széles szemmozgási tartomány és az alacsony tömeggyártási költségek. Következésképpen széles körben az AR-ipar fő megjelenítési technológiájának tekintik őket. Míg a térfogati holografikus rácsos hullámvezetők nagyon magas diffrakciós hatékonyságot mutatnak, a szigorú Bragg-diffrakciós feltételek miatt a színek egyenletességével küszködnek, és még a technológiai fejlesztés korai szakaszában vannak, ami jelentős előrelépést igényel az áttörések eléréséhez.

A folyamatos technológiai fejlődésnek és a feldolgozás fejlesztésének köszönhetően a felületi domborzati rácsokon alapuló AR diffraktív hullámvezetők kezdenek belépni a fogyasztói piacra. Úgy gondolják, hogy a jövőben több AR-hardvergyártó számára nyújtanak kivételes AR-megjelenítési élményt.