Apa itu Pandu Gelombang Difraksi AR?

Pandu gelombang difraktif adalah solusi tampilan optik utama untuk kacamata AR. Banyak perangkat AR yang mengadopsi teknologi ini. Mengapa produsen perangkat keras AR besar sangat menyukai pandu gelombang difraksi? Apa sebenarnya pandu gelombang difraksi itu?

01 Pengertian Pandu Gelombang Difraksi

Untuk memahami lebih dalam, kita dapat membagi istilah 'pandu gelombang difraksi' menjadi dua bagian: difraksi dan pandu gelombang.

Biasanya, kita mengetahui bahwa cahaya dapat merambat dengan tiga cara: rambat garis lurus, pemantulan, dan pembiasan. Misalnya, pemandangan inframerah, periskop, dan tampilan sedotan yang bengkok saat dimasukkan ke dalam air semuanya didasarkan pada tiga prinsip ini. Difraksi, sebaliknya, adalah cara keempat cahaya merambat.

Pada abad ke-17, profesor matematika Italia Francesco Grimaldi menemukan dan menciptakan istilah 'difraksi,' yang berasal dari kata Latin 'diffringere,' yang berarti 'pecah menjadi beberapa bagian.' Hal ini merujuk pada arah asli perambatan gelombang yang 'terpecah' dan membengkok ke arah yang berbeda.

Dalam eksperimennya, ia melewatkan seberkas cahaya melalui dua lubang kecil dan menuju layar di ruangan gelap, mengamati pola garis terang dan gelap di tepi proyeksi. Oleh karena itu, difraksi mengacu pada fenomena fisik di mana arah rambat gelombang berubah ketika menemui hambatan atau celah.

Karena efek difraksi yang nyata hanya dapat diamati jika ukuran penghalang atau lebar celah sebanding atau lebih kecil dari panjang gelombang gelombang, seringkali sulit untuk melihat difraksi cahaya dalam kehidupan kita sehari-hari. Namun dalam kondisi khusus tertentu, kita bisa mengamatinya. Misalnya, fenomena “kemuliaan” yang terlihat di langit, yang muncul sebagai lingkaran cahaya warna-warni di sekitar bayangan, merupakan hasil dari difraksi sinar matahari melalui tetesan air kecil dan kristal es di awan.

Setelah membahas difraksi, apa sebenarnya pandu gelombang itu?

Di dunia kita terdapat berbagai jenis gelombang, antara lain gelombang cahaya, gelombang suara, dan gelombang elektromagnetik.

Waveguide adalah perangkat yang mentransmisikan gelombang ini dari satu lokasi ke lokasi lain. Jadi, pandu gelombang cahaya adalah media atau perangkat yang memandu gelombang cahaya saat merambat.

Dengan pemahaman tentang difraksi dan pandu gelombang, kita dapat mendefinisikan pandu gelombang difraksi: sederhananya, pandu gelombang adalah media yang memanfaatkan difraksi cahaya untuk memandu gelombang cahaya saat merambat.

Pandu gelombang difraksi

Untuk menjelaskan lebih lanjut, pandu gelombang difraksi dirancang untuk memanfaatkan sifat difraksi kisi untuk menciptakan “jalur cahaya”, yang memungkinkan cahaya merambat sepanjang rute yang telah ditentukan dan mengarahkan cahaya yang dipancarkan dari sistem proyeksi mikro ke mata manusia.

Kisi difraksi, elemen optik dengan struktur periodik, merupakan komponen inti pandu gelombang difraksi. Berdasarkan jenis kisi yang digunakan, pandu gelombang difraksi dapat dikategorikan menjadi dua jenis: pandu gelombang kisi relief permukaan dan pandu gelombang kisi holografik volume.

02 Pandu Gelombang Kisi Relief Permukaan

Kisi-kisi relief permukaan dibuat dengan 'memahat' puncak tinggi dan lembah rendah pada permukaan material melalui proses seperti fotolitografi dan etsa. Teknik fabrikasi ini mencapai struktur periodik yang memenuhi kinerja optik yang dibutuhkan.

Kisi-kisi ini memanipulasi cahaya yang berinteraksi dengannya, memungkinkan difraksi dan pemanduan cahaya yang efektif di dalam pandu gelombang. Kisi-kisi relief permukaan banyak digunakan karena kemudahan fabrikasinya dan kemampuannya untuk diintegrasikan ke dalam berbagai sistem optik.

Gambar SEM Kisi Relief Permukaan

Surface Relief Grating Waveguide untuk memandu cahaya yang dipancarkan dari sistem proyeksi mikro (mesin optik) ke mata manusia, cahaya harus melewati proses penggandengan masuk dan penggandengan keluar. Secara khusus, cahaya yang dipancarkan dari mesin optik memasuki pandu gelombang melalui kisi masukan, merambat melalui refleksi internal total dalam pandu gelombang datar, dan akhirnya disalurkan ke mata manusia melalui kisi keluaran. Kisi-kisi masukan dan keluaran yang digunakan disini adalah kisi-kisi relief permukaan.

Karena fitur skala nano dari kisi tersebut sebanding dengan panjang gelombang cahaya, cahaya tidak boleh dianggap sebagai sinar biasa melainkan diperlakukan sebagai gelombang elektromagnetik. Ketika cahaya mengenai kisi, ia mengalami difraksi bertingkat.

Misalnya, jika mesin optik memancarkan cahaya monokromatik (seperti lampu hijau), cahaya ini akan dipecah menjadi beberapa berkas yang bergerak ke arah berbeda (urutan difraksi) saat mengenai kisi masukan. Salah satu orde difraksi bukan nol ini (misalnya orde +1) akan memenuhi kondisi refleksi internal total pandu gelombang datar, sehingga memungkinkannya masuk dan merambat melalui pandu gelombang melalui refleksi internal total. Urutan difraksi spesifik ini disebut sebagai urutan kerja pandu gelombang difraksi. Dengan mengontrol parameter seperti periode, siklus kerja, kedalaman alur, dan sudut dinding samping kisi secara tepat, sebagian besar energi cahaya dapat dikonsentrasikan ke dalam urutan kerja pandu gelombang difraksi, yang secara efektif menggabungkan sebagian besar energi cahaya ke dalam pandu gelombang. Proses ini dikenal sebagai proses penggandengan pandu gelombang difraksi.

Sejalan dengan itu, ketika cahaya yang merambat melalui refleksi internal total dalam pandu gelombang difraksi bertemu dengan kisi keluaran, hal itu juga akan menghasilkan beberapa orde difraksi. Salah satu tatanan bukan nol ini akan keluar dari pandu gelombang difraksi ke arah tertentu, selanjutnya memasuki mata manusia. Hal ini dikenal sebagai proses penggandengan pandu gelombang difraksi.

Jika mesin optik memancarkan cahaya berwarna, selain proses yang disebutkan di atas, akan ada kerumitan lain yang terlibat. Karena perbedaan panjang gelombang warna cahaya yang berbeda, efisiensi difraksinya juga akan berbeda. Akibatnya, selama propagasi, energi setiap warna cahaya mungkin hilang pada tingkat yang berbeda-beda, sehingga terjadi dispersi. Dengan mengoptimalkan berbagai parameter kisi, kisi tersebut dapat mengontrol energi berbagai panjang gelombang cahaya secara tepat, sehingga meminimalkan masalah dispersi dan pada akhirnya memungkinkan kita melihat gambar dengan warna yang akurat.

Untuk mengatasi masalah kompleks difraksi kisi, perusahaan telah mengembangkan rangkaian perangkat lunak penghitungan komprehensif untuk berbagai jenis kisi, berdasarkan Metode Fourier Modal (FMM), yang dapat menghitung masalah difraksi terkait kisi dengan cepat dan akurat.

Selain itu, perusahaan ini memiliki pusat pemrosesan utama kisi yang lengkap dan sistem produksi massal yang lengkap untuk pandu gelombang difraksi, sehingga mencapai koordinasi yang erat antara desain dan manufaktur. Saat merancang kisi-kisi, pertimbangan dapat diberikan pada kemampuan pemrosesan master dan teknik produksi, sehingga memungkinkan penyesuaian dan optimalisasi tepat waktu ketika masalah muncul, sehingga menghasilkan siklus iterasi produk yang cepat.

Pandu gelombang difraksi, yang sangat disukai oleh produsen perangkat keras AR besar, secara khusus mengacu pada pandu gelombang kisi relief permukaan. Keunggulannya antara lain desain yang ramping, bidang pandang yang luas, jangkauan pergerakan mata yang lebar, dan biaya produksi massal yang rendah, menjadikannya secara luas dianggap sebagai jalur teknologi tampilan utama di industri AR.

03 Panduan Gelombang Kisi Holografik Volume

Proses perambatan cahaya dalam pandu gelombang kisi holografik volume pada dasarnya mirip dengan pandu gelombang kisi relief permukaan.

Perbedaan utamanya terletak pada cara pembuatan kisi holografik volume. Alih-alih “dipahat”, kisi holografik volumetrik dibentuk dengan mengekspos film photoresist pada substrat terhadap pola interferensi yang diciptakan oleh dua berkas cahaya yang koheren. Proses ini menghasilkan distribusi spasial periodik dengan indeks bias yang bervariasi pada tingkat molekuler. Kisi-kisi holografik volume biasanya beroperasi dalam kondisi difraksi Bragg.

Apa itu Kondisi Difraksi Bragg?

Pada tahun 1912, ilmuwan Jerman Max von Laue menemukan fenomena difraksi sinar-X dalam kristal, yang meletakkan dasar bagi studi fisika difraksi sinar-X. Pada tahun yang sama, Lawrence Bragg, melalui penelitian berulang kali di Laboratorium Cavendish, menyimpulkan bahwa fenomena ini adalah sejenis efek difraksi gelombang.

Pada tahun 1913, Lawrence Bragg dan ayahnya, Henry Bragg, bersama-sama mengusulkan bentuk difraksi sinar-X Bragg (dikenal sebagai difraksi Bragg). Mereka menemukan bahwa ketika gelombang partikel subatom memasuki kristal, jika panjang gelombang gelombang partikel mendekati jarak antar atom dalam kristal, gelombang partikel akan dihamburkan oleh atom dengan cara seperti cermin. Hamburan ini akan menghasilkan interferensi konstruktif menurut hukum Bragg, membentuk puncak gelombang yang terkonsentrasi (dikenal sebagai puncak Bragg). Kondisi Bragg merupakan kriteria yang harus dipenuhi agar interferensi konstruktif dapat terjadi.

Diagram skema difraksi Bragg

Berdasarkan prinsip difraksi Bragg, ketika gelombang cahaya memenuhi kondisi Bragg, kisi-kisi holografik volume dapat mencapai efisiensi difraksi yang sangat tinggi. Namun, kondisi Bragg memberlakukan persyaratan ketat pada sudut dan panjang gelombang cahaya datang. Jika kondisi ini tidak terpenuhi, efisiensi difraksi dapat turun dengan cepat. Hal ini mengakibatkan pandu gelombang kisi holografik volume kesulitan mencapai keseragaman warna yang baik, sehingga gagal memenuhi permintaan pasar.

Saat ini, pandu gelombang kisi holografik volume menunjukkan kesenjangan yang signifikan dibandingkan dengan pandu gelombang kisi relief permukaan dalam hal kinerja tampilan, komersialisasi produk, dan dukungan industri.

04 Ringkasan

Pandu gelombang difraksi AR memanfaatkan karakteristik difraksi kisi untuk merancang “jalur cahaya”, yang memungkinkan cahaya yang dipancarkan dari sistem proyeksi mikro diarahkan ke mata manusia. Berdasarkan jenis kisi difraksi yang digunakan, pandu gelombang difraksi dapat diklasifikasikan menjadi pandu gelombang kisi relief permukaan dan pandu gelombang kisi holografik volume.

Pandu gelombang kisi relief permukaan menawarkan keunggulan seperti ringan, memiliki bidang pandang yang luas, rentang pergerakan mata yang lebar, dan biaya produksi massal yang rendah. Oleh karena itu, teknologi ini secara luas dianggap sebagai teknologi tampilan utama dalam industri AR. Meskipun pandu gelombang kisi holografik volume menunjukkan efisiensi difraksi yang sangat tinggi, pandu gelombang tersebut mengalami kesulitan dalam keseragaman warna karena kondisi difraksi Bragg yang ketat dan masih dalam tahap awal pengembangan teknologi, sehingga memerlukan kemajuan signifikan untuk mencapai terobosan.

Dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan dan peningkatan dalam pemrosesan, pandu gelombang difraksi AR berdasarkan kisi-kisi relief permukaan mulai memasuki pasar konsumen. Di masa depan, mereka diyakini akan memberikan pengalaman tampilan AR yang luar biasa bagi lebih banyak produsen perangkat keras AR.