Bagaimana Cara Kerja Teknologi Pandu Gelombang Difraktif pada Tampilan Kacamata AR

Dalam artikel kami sebelumnya, 'Apa itu Pandu Gelombang Difraksi AR?', kami menjelaskan prinsip dasar pandu gelombang difraksi dan menyoroti perbedaan antara pandu gelombang kisi relief permukaan dan pandu gelombang kisi holografik volume. Hari ini, kita akan mempelajari lebih dalam fungsi inti dan arah optimalisasi pandu gelombang difraksi, membahas mengapa pandu gelombang difraksi berdasarkan kisi-kisi relief permukaan muncul sebagai teknologi tampilan utama untuk kacamata AR.

01 Fungsi Inti Pandu Gelombang Difraksi

1. Transfer Isometrik Gambar

Dari artikel kami sebelumnya, kami mengetahui bahwa agar pandu gelombang difraksi dapat mengarahkan cahaya yang dipancarkan dari sistem proyeksi mikro (mesin optik) ke mata manusia, ia harus melalui proses penggandengan masuk dan keluar. Secara khusus, cahaya yang dipancarkan oleh mesin optik memasuki pandu gelombang datar melalui kisi-kisi kopling, merambat di dalamnya melalui refleksi internal total, dan akhirnya ditransmisikan ke mata melalui kisi-kisi keluar kopling.

Aspek terpenting dari proses ini adalah refleksi internal total. Tapi apa sebenarnya refleksi internal total itu?

Pemantulan internal total terjadi ketika cahaya merambat dari medium dengan indeks bias lebih tinggi ke medium dengan indeks bias lebih rendah, dan sudut datang lebih besar atau sama dengan sudut kritis. Ketika kondisi pemantulan internal total terpenuhi, cahaya akan terus merambat melalui pandu gelombang datar melalui pantulan tanpa disalurkan keluar, sehingga memungkinkan arah cahaya diubah. Fenomena alam yang terkenal akibat refleksi internal total adalah fatamorgana.

Biasanya, kacamata AR mengeluarkan gambar menggunakan mesin optik. Namun, menempatkan mesin optik langsung pada lensa akan menghalangi pandangan pengguna dan tidak menarik secara visual. Selain itu, hanya mengandalkan mesin optik tidak akan mencapai efek yang diinginkan dalam menggabungkan gambar virtual dan nyata.

Dengan memanfaatkan prinsip refleksi internal total, pandu gelombang difraksi dapat melakukan transfer isometrik gambar yang diproyeksikan oleh mesin optik, sehingga mesin optik dapat diposisikan di bagian atas atau samping kacamata. Pendekatan ini tidak hanya menghindari penghalangan garis pandang pengguna tetapi juga, karena tingkat transmisi cahaya yang tinggi dan profil pandu gelombang difraksi yang tipis, menjadikan kacamata AR lebih mirip tampilannya dengan kacamata biasa sekaligus mencapai efek yang diinginkan dari integrasi virtual-nyata.

Penting untuk dicatat bahwa pandu gelombang difraksi hanya bertanggung jawab untuk mentransfer gambar ke mata dan tidak mempengaruhi konten gambar itu sendiri, yang berarti tidak memiliki kemampuan untuk memperbesar atau memperkecil ukuran gambar.

2. Perluasan Pupil Dua Dimensi

Solusi tampilan optik standar biasanya tidak memiliki kemampuan perluasan pupil, sehingga membatasi pemirsa untuk melihat gambar hanya dalam rentang ukuran pupil keluar mesin optik (yaitu rentang pergerakan mata). Misalnya, jika pupil keluar mesin optik berukuran φ5mm, pengguna hanya dapat melihat gambar dalam rentang φ5mm. Hal ini mirip dengan melihat dunia melalui lubang intip, yang secara signifikan mengurangi imersi dan pengalaman visual.

Untuk mengatasi masalah ini, pandu gelombang difraksi dapat mencapai perluasan pupil dua dimensi, memperbesar pupil keluar sambil mempertahankan ukuran yang kompak dan bidang pandang yang luas. Hal ini secara efektif meningkatkan rentang pergerakan mata di kedua arah, memberikan rasa mendalam yang lebih tinggi dan pengalaman visual yang lebih baik, sekaligus mengakomodasi jarak antar pupil yang berbeda. Ini mewakili fungsi inti kedua dari pandu gelombang difraksi.

Umumnya ada dua pendekatan untuk menerapkan perluasan pupil dua dimensi. Yang pertama melibatkan penggunaan tiga kisi-kisi satu dimensi (yaitu, kisi-kisi penggandeng, kisi-kisi lentur, dan kisi-kisi penggandeng keluar). Pendekatan kedua menggunakan satu kisi satu dimensi (coupling grating) dan satu kisi dua dimensi (coupling out grating).

Pada pendekatan pertama, cahaya yang dipancarkan dari mesin optik digabungkan ke dalam pandu gelombang melalui kisi kopling. Cahaya kemudian mengalami pemantulan internal total dan menumbuk kisi-kisi lentur, dimana sebagian cahaya diarahkan ke kisi-kisi keluar kopling, sementara cahaya yang tersisa terus merambat ke depan melalui refleksi. Cahaya ini akan kembali mengenai kisi-kisi lentur, dan bagian lainnya akan diarahkan ke kisi-kisi keluar kopling. Proses ini diulangi untuk mencapai perluasan pupil satu dimensi.

Akhirnya, cahaya yang mencapai kisi-kisi keluar kopling akan membuat sebagiannya terdifraksi ke dalam mata, sementara cahaya yang tersisa terus merambat ke depan melalui refleksi, sekali lagi berinteraksi dengan kisi-kisi keluar kopling. Proses ini menghasilkan arah lain dari perluasan pupil satu dimensi. Ketika dua perluasan satu dimensi ini digabungkan, keduanya menciptakan perluasan pupil dua dimensi.

Pada pendekatan kedua, prosesnya juga dimulai dengan menggabungkan cahaya yang dipancarkan dari mesin optik ke dalam pandu gelombang menggunakan kisi kopling. Cahaya kemudian mengalami refleksi internal total dan membentur kisi-kisi kopling dua dimensi. Pada titik ini, sebagian cahaya didifraksikan ke dalam mata, sedangkan sisa cahaya terbagi dan terus merambat ke depan melalui pemantulan baik dalam arah horizontal maupun vertikal.

Cahaya kemudian akan berinteraksi lagi dengan kisi-kisi kopling keluar, dimana bagian lainnya didifraksi ke dalam mata. Proses ini diulangi, secara efektif mencapai perluasan pupil dua dimensi.

Di atas menjelaskan proses fisik skema perluasan pupil dua dimensi. Sebagai perbandingan, skema pertama relatif lebih sederhana dalam hal desain dan fabrikasi pandu gelombang difraksi, namun menempati lebih banyak area lensa secara keseluruhan. Skema kedua, sebaliknya, memerlukan penggunaan kisi-kisi dua dimensi, yang lebih rumit dalam desain dan pembuatannya, sehingga lebih sulit untuk diterapkan. Namun demikian, pendekatan ini menghasilkan struktur keseluruhan yang lebih kompak, sehingga memungkinkan pengurangan area lensa.

Dengan menggunakan perluasan pupil dua dimensi, kami tidak hanya dapat meningkatkan jangkauan pergerakan mata dan meningkatkan pengalaman pengguna, tetapi juga mengurangi bobot dan dimensi mesin optik baik dalam arah horizontal maupun vertikal, sehingga membuat kacamata AR lebih ringan dan mudah beradaptasi.

Penting untuk dicatat bahwa meskipun perluasan pupil dua dimensi mereplikasi gambar beberapa kali, sebenarnya kita hanya melihat satu gambar, bukan beberapa gambar. Hal ini karena bayangan yang ditransmisikan oleh kisi-kisi kopling bukan merupakan bayangan nyata melainkan bayangan maya. Selain itu, otak manusia cenderung menipu dirinya sendiri dengan mengikuti garis pandang pancaran cahaya yang dilihatnya. Berkas cahaya yang dihasilkan oleh perluasan pupil sesuai dengan sudut berbeda dari gambar maya yang sama, jadi terlepas dari berapa banyak posisi berbeda dari berkas cahaya meluas yang dilihat mata, berkas cahaya tersebut akan ditelusuri kembali ke gambar yang sama berdasarkan garis pandang yang diperluas.

Misalnya mengamati lilin melalui cermin datar. Cahaya dari lilin dipantulkan dari cermin dan masuk ke mata, yang kemudian mencari bayangan maya berdasarkan perpanjangan garis sinar cahaya tersebut. Tiga sinar cahaya yang digambarkan dalam diagram dapat dipahami sebagai berkas cahaya yang diperluas pada tiga posisi berbeda dalam pandu gelombang difraksi. Seperti yang ditunjukkan pada diagram, ketika kita melihat ketiga berkas cahaya ini secara bersamaan, semuanya menunjuk pada bayangan yang sama.

Selain itu, terdapat kesalahpahaman umum bahwa pandu gelombang difraksi memiliki efisiensi energi yang rendah. Kenyataannya, persepsi ini muncul selama proses mencapai perluasan pupil dua dimensi, di mana pandu gelombang difraksi perlu membagi energi cahaya menjadi banyak bagian dan mendistribusikannya secara merata ke setiap posisi keluar pupil. Akibatnya, energi per satuan luas berkurang secara alami. Namun, jika kita mengumpulkan semua sinar cahaya dari pandu gelombang difraksi ke dalam mata, kita akan menemukan bahwa efisiensi energinya sebenarnya tidak rendah.

Dengan demikian, alasan utama rendahnya efisiensi energi pandu gelombang difraksi adalah perluasan pupil. Namun, ekspansi merupakan fitur penting dari pandu gelombang difraksi, dan seperti disebutkan sebelumnya, ekspansi menawarkan banyak keuntungan. Oleh karena itu, penting untuk memaksimalkan efisiensi energi sambil mempertahankan tingkat perluasan pupil tertentu.

02 Tiga Arah Optimasi Utama untuk Pandu Gelombang Difraktif

1. Mengoptimalkan Efisiensi Difraksi Cahaya

Seperti disebutkan sebelumnya, banyak orang berpendapat bahwa pandu gelombang difraksi memiliki efisiensi energi yang rendah. Untuk mengatasi masalah ini, perlu dilakukan peningkatan efisiensi energi dengan mengoptimalkan efisiensi difraksi cahaya dengan tetap mempertahankan tingkat perluasan pupil tertentu.

Karena ukuran fitur kisi skala nano sebanding dengan panjang gelombang cahaya, maka penting untuk memperlakukan cahaya bukan sebagai sinar biasa tetapi sebagai gelombang elektromagnetik selama propagasi. Ketika cahaya mengenai kisi, cahaya tersebut terpecah menjadi beberapa arah berbeda (urutan difraksi), dan mau tidak mau, sebagian energi cahaya hilang dalam proses tersebut.

Untuk memastikan bahwa sebagian besar energi cahaya digabungkan ke dalam pandu gelombang difraksi, kami biasanya memilih tatanan difraksi bukan nol tertentu (yang memenuhi kondisi refleksi internal total) sebagai tatanan kerja pandu gelombang difraksi. Dengan mengontrol secara tepat parameter seperti periode kisi, siklus kerja, kedalaman alur, dan sudut dinding samping, kita dapat mengoptimalkan efisiensi difraksi cahaya, memusatkan sebagian besar energi cahaya ke dalam tatanan kerja ini. Hal ini, pada gilirannya, meningkatkan efisiensi energi dan memungkinkan peningkatan kecerahan gambar.

2. Mengoptimalkan Efisiensi Difraksi untuk Sudut Datang yang Berbeda

Faktor penting lainnya yang perlu dipertimbangkan ketika mengoptimalkan kisi adalah dampak sudut datang cahaya terhadap efisiensi difraksi.

Karena gambar yang diproyeksikan oleh mesin optik membentuk permukaan cahaya, cahaya dari posisi berbeda pada permukaan ini memasuki pandu gelombang difraksi pada sudut yang berbeda-beda. Untuk pandu gelombang difraksi, sudut datang yang berbeda menghasilkan efisiensi difraksi yang berbeda, sehingga menyebabkan ketidakkonsistenan pada kecerahan gambar secara keseluruhan.

Oleh karena itu, selain mengoptimalkan efisiensi difraksi untuk urutan difraksi tertentu, penting juga untuk mengoptimalkan efisiensi difraksi cahaya pada berbagai sudut datang untuk memastikan kecerahan seragam.

3. Mengoptimalkan Efisiensi Difraksi untuk Panjang Gelombang Berbeda

Warna cahaya yang berbeda memiliki panjang gelombang yang berbeda-beda, sehingga mempengaruhi efisiensi difraksinya. Selain itu, panjang gelombang yang berbeda menghasilkan sudut difraksi yang berbeda, artinya selama proses perluasan pupil, frekuensi interaksi warna cahaya yang berbeda dengan kisi penghubung juga akan bervariasi. Kedua faktor ini menyulitkan setiap warna cahaya untuk memasuki mata dengan proporsi energi yang sama, sehingga menimbulkan masalah pada keseragaman warna. Oleh karena itu, sulit untuk mencapai keseragaman warna yang baik dalam gambar menggunakan pandu gelombang difraksi satu lapis.

Untuk memastikan bahwa cahaya dengan panjang gelombang berbeda keluar dengan proporsi energi yang sama, tumpukan pandu gelombang difraksi berlapis-lapis (dua lapisan atau lebih) biasanya digunakan. Setiap lapisan pandu gelombang difraksi dioptimalkan untuk mengontrol dan meningkatkan energi untuk rentang panjang gelombang tertentu sekaligus menekan pembicaraan silang antar lapisan. Pendekatan ini memastikan bahwa cahaya dengan panjang gelombang berbeda pada akhirnya memasuki mata dengan proporsi energi yang sama, meningkatkan keseragaman warna dan menampilkan gambar yang normal dan cerah.

03 Ringkasan

Di satu sisi, pandu gelombang difraksi memiliki dua fungsi inti: transfer isometrik gambar dan perluasan pupil dua dimensi. Berdasarkan fungsi-fungsi ini, kacamata AR menjadi ringan dan ramping sekaligus mengakomodasi lebih banyak pengguna, memberikan kesan imersi yang kuat dan pengalaman visual yang luar biasa. Selain itu, integrasi proses semikonduktor meningkatkan kemampuan manufaktur pandu gelombang difraksi, meletakkan dasar yang kuat bagi kacamata AR untuk memasuki pasar konsumen.

Di sisi lain, sebagai teknologi tampilan utama untuk kacamata AR, pandu gelombang difraksi menawarkan potensi besar namun juga menghadirkan kompleksitas yang signifikan. Optimalisasi efisiensi difraksi harus dipertimbangkan dari berbagai aspek, termasuk orde difraksi, sudut datang, dan panjang gelombang.

Dengan kemajuan berkelanjutan dalam teknologi dan optimalisasi kinerja lebih lanjut, pandu gelombang difraksi AR siap menghadirkan kacamata AR ke rumah tangga, yang bersinar terang di era metaverse.