Come funziona la tecnologia della guida d'onda diffrattiva nei display degli occhiali AR

Nel nostro precedente articolo, 'Cos'è la guida d'onda diffrattiva AR?', abbiamo spiegato i principi fondamentali delle guide d'onda diffrattive e evidenziato le differenze tra le guide d'onda a reticolo a rilievo superficiale e le guide d'onda a reticolo olografico volumetrico. Oggi approfondiremo le funzioni principali e le direzioni di ottimizzazione delle guide d'onda diffrattive, discutendo perché le guide d'onda diffrattive basate su griglie in rilievo superficiale stanno emergendo come la tecnologia di visualizzazione principale per gli occhiali AR.

01 Funzioni principali delle guide d'onda diffrattive

1. Trasferimento isometrico dell'immagine

Dai nostri articoli precedenti, sappiamo che affinché una guida d'onda diffrattiva possa dirigere la luce emessa da un sistema di microproiezione (motore ottico) nell'occhio umano, deve subire processi di accoppiamento e accoppiamento. Nello specifico, la luce emessa dal motore ottico entra nella guida d'onda piatta attraverso il reticolo di accoppiamento, si propaga al suo interno per riflessione interna totale, ed infine viene trasmessa all'occhio tramite il reticolo di accoppiamento.

L’aspetto più cruciale di questo processo è la totale riflessione interna. Ma cos’è esattamente la riflessione interna totale?

La riflessione interna totale si verifica quando la luce viaggia da un mezzo con un indice di rifrazione più alto a uno con un indice di rifrazione più basso e l'angolo di incidenza è maggiore o uguale all'angolo critico. Quando vengono soddisfatte le condizioni per la riflessione interna totale, la luce si propagherà continuamente attraverso la guida d'onda piatta per riflessione senza essere trasmessa all'esterno, consentendo così di alterare la direzione della luce. Un noto fenomeno naturale derivante dalla riflessione interna totale è il miraggio.

In genere, gli occhiali AR riproducono le immagini utilizzando un motore ottico. Tuttavia, posizionare il motore ottico direttamente sull'obiettivo ostacolerebbe la vista dell'utente e sarebbe visivamente poco attraente. Inoltre, affidarsi esclusivamente al motore ottico non otterrebbe l'effetto desiderato di fondere immagini virtuali e reali.

Sfruttando il principio della riflessione interna totale, le guide d'onda diffrattive possono eseguire il trasferimento isometrico delle immagini proiettate dal motore ottico, consentendo di posizionare il motore ottico nella parte superiore o laterale degli occhiali. Questo approccio non solo evita di ostruire la linea visiva dell'utente ma, grazie all'elevata velocità di trasmissione della luce e al profilo sottile della guida d'onda diffrattiva, avvicina gli occhiali AR agli occhiali normali, ottenendo l'effetto desiderato di integrazione virtuale-reale.

È importante notare che la guida d'onda diffrattiva è responsabile esclusivamente del trasferimento dell'immagine all'occhio e non influisce sul contenuto dell'immagine stessa, il che significa che non ha la capacità di ingrandire o ridurre le dimensioni dell'immagine.

2. Espansione bidimensionale della pupilla

Le soluzioni di visualizzazione ottica standard in genere non dispongono di capacità di espansione della pupilla, limitando lo spettatore a vedere le immagini solo all'interno dell'intervallo della dimensione della pupilla di uscita del motore ottico (ovvero, l'intervallo di movimento degli occhi). Ad esempio, se la pupilla di uscita del motore ottico misura φ5 mm, l'utente può visualizzare l'immagine solo entro un intervallo di φ5 mm. È come guardare il mondo attraverso uno spioncino, che diminuisce significativamente l’immersione e l’esperienza visiva.

Per risolvere questo problema, le guide d'onda diffrattive possono ottenere l'espansione bidimensionale della pupilla, allargando la pupilla di uscita pur mantenendo dimensioni compatte e un ampio campo visivo. Ciò aumenta efficacemente la gamma di movimento oculare in entrambe le direzioni, fornendo un maggiore senso di immersione e una migliore esperienza visiva, adattandosi anche a diverse distanze interpupillari. Questa rappresenta la seconda funzione principale delle guide d'onda diffrattive.

Esistono generalmente due approcci per implementare l'espansione bidimensionale della pupilla. Il primo prevede l'utilizzo di tre reticoli unidimensionali (cioè reticolo di accoppiamento, reticolo di flessione e reticolo di accoppiamento). Il secondo approccio utilizza un reticolo unidimensionale (reticolo di accoppiamento) e un reticolo bidimensionale (reticolo di accoppiamento).

Nel primo approccio, la luce emessa dal motore ottico viene accoppiata nella guida d'onda attraverso il reticolo di accoppiamento. La luce subisce quindi una riflessione interna totale e colpisce il reticolo di curvatura, dove una parte della luce viene reindirizzata al reticolo di accoppiamento, mentre la luce rimanente continua a propagarsi in avanti attraverso la riflessione. Questa luce colpirà nuovamente la griglia di curvatura e un'altra porzione verrà reindirizzata alla griglia di accoppiamento. Questo processo viene ripetuto per ottenere l'espansione unidimensionale della pupilla.

Infine, la luce che raggiunge il reticolo di accoppiamento verrà in parte diffratta nell'occhio, mentre la luce rimanente continua a propagarsi in avanti attraverso la riflessione, interagendo nuovamente con il reticolo di accoppiamento. Questo processo si traduce in un'altra direzione di espansione della pupilla unidimensionale. Quando queste due espansioni unidimensionali vengono combinate, creano un'espansione della pupilla bidimensionale.

Anche nel secondo approccio il processo inizia accoppiando la luce emessa dal motore ottico nella guida d'onda mediante il reticolo di accoppiamento. La luce subisce quindi una riflessione interna totale e colpisce il reticolo di accoppiamento bidimensionale. A questo punto, una parte della luce viene diffratta nell'occhio, mentre la restante luce viene divisa e continua a propagarsi in avanti per riflessione sia in direzione orizzontale che verticale.

La luce interagirà quindi nuovamente con il reticolo di accoppiamento, dove un'altra porzione verrà diffratta nell'occhio. Questo processo viene ripetuto, ottenendo effettivamente l'espansione bidimensionale della pupilla.

Quanto sopra descrive i processi fisici degli schemi di espansione della pupilla bidimensionale. In confronto, il primo schema è relativamente più semplice in termini di progettazione e fabbricazione della guida d'onda diffrattiva, ma occupa una maggiore area complessiva della lente. Il secondo schema, invece, prevede l’utilizzo di grigliati bidimensionali, più complessi da progettare e realizzare, rendendone più impegnativa la realizzazione. Tuttavia, questo approccio si traduce in una struttura complessiva più compatta, consentendo una riduzione dell'area dell'obiettivo.

Utilizzando l'espansione bidimensionale della pupilla, non solo possiamo aumentare la gamma di movimento degli occhi e migliorare l'immersione dell'utente, ma anche ridurre il peso e le dimensioni del motore ottico sia in direzione orizzontale che verticale, rendendo gli occhiali AR più leggeri e più adattabili.

È importante notare che mentre l’espansione bidimensionale della pupilla replica l’immagine più volte, in realtà percepiamo solo un’immagine, non più immagini. Questo perché l'immagine trasmessa dal reticolo di accoppiamento non è un'immagine reale ma virtuale. Inoltre, il cervello umano tende ad ingannare se stesso seguendo la linea visiva estesa dei fasci luminosi che vede. I fasci di luce generati dall'espansione della pupilla corrispondono a diversi angoli della stessa immagine virtuale, quindi indipendentemente da quante diverse posizioni dei fasci di luce espansi percepisce l'occhio, risaliranno alla stessa immagine in base alla linea di vista estesa.

Ad esempio, è simile all'osservazione di una candela attraverso uno specchio piano. La luce della candela si riflette sullo specchio ed entra nell'occhio, che poi cerca l'immagine virtuale in base alla linea estesa dei raggi luminosi. I tre raggi luminosi rappresentati nel diagramma possono essere intesi come raggi luminosi espansi in tre diverse posizioni nella guida d'onda diffrattiva. Come mostrato nel diagramma, quando vediamo questi tre fasci di luce contemporaneamente, puntano tutti alla stessa immagine.

Inoltre, esiste un malinteso comune secondo cui le guide d'onda diffrattive hanno una bassa efficienza energetica. In realtà, questa percezione nasce durante il processo di raggiungimento dell'espansione bidimensionale della pupilla, in cui la guida d'onda diffrattiva deve dividere l'energia luminosa in molte parti e distribuirla uniformemente su ciascuna posizione della pupilla di uscita. Di conseguenza, l’energia per unità di superficie viene naturalmente ridotta. Tuttavia, se raccogliessimo tutti i raggi luminosi dalla guida d'onda diffrattiva nell'occhio, scopriremmo che la sua efficienza energetica in realtà non è bassa.

Pertanto, la ragione principale della percepita bassa efficienza energetica delle guide d'onda diffrattive è l'espansione della pupilla. Tuttavia, l’espansione è una caratteristica significativa delle guide d’onda diffrattive e, come accennato in precedenza, offre numerosi vantaggi. Pertanto, è essenziale massimizzare l’efficienza energetica mantenendo un certo livello di espansione della pupilla.

02 Tre principali direzioni di ottimizzazione per le guide d'onda diffrattive

1. Ottimizzazione dell'efficienza della diffrazione della luce

Come accennato in precedenza, molte persone percepiscono che le guide d’onda diffrattive hanno una bassa efficienza energetica. Per affrontare questo problema, è necessario migliorare l’efficienza energetica ottimizzando l’efficienza di diffrazione della luce mantenendo un certo livello di espansione della pupilla.

Poiché la dimensione dei reticoli su scala nanometrica è paragonabile alla lunghezza d'onda della luce, è essenziale trattare la luce non come raggi ordinari ma come onde elettromagnetiche durante la propagazione. Quando la luce colpisce il reticolo, viene divisa in diverse direzioni (ordini di diffrazione) e inevitabilmente parte dell'energia luminosa viene persa nel processo.

Per garantire che la maggior parte dell'energia luminosa sia accoppiata nella guida d'onda diffrattiva, in genere selezioniamo uno specifico ordine di diffrazione diverso da zero (che soddisfa le condizioni di riflessione interna totale) come ordine di funzionamento della guida d'onda diffrattiva. Controllando con precisione parametri quali il periodo del reticolo, il ciclo di lavoro, la profondità della scanalatura e l'angolo della parete laterale, possiamo ottimizzare l'efficienza di diffrazione della luce, concentrando la maggior parte dell'energia luminosa in questo ordine di lavoro. Ciò, a sua volta, migliora l'efficienza energetica e consente una maggiore luminosità dell'immagine.

2. Ottimizzazione dell'efficienza di diffrazione per diversi angoli di incidenza

Un altro fattore importante da considerare quando si ottimizza il reticolo è l'impatto dell'angolo di incidenza della luce sull'efficienza di diffrazione.

Poiché l'immagine proiettata dal motore ottico forma una superficie luminosa, la luce proveniente da diverse posizioni su questa superficie entra nella guida d'onda diffrattiva ad angoli diversi. Per le guide d'onda diffrattive, diversi angoli di incidenza determinano diverse efficienze di diffrazione, portando a incoerenze nella luminosità complessiva dell'immagine.

Pertanto, oltre a ottimizzare l'efficienza di diffrazione per uno specifico ordine di diffrazione, è anche essenziale ottimizzare l'efficienza di diffrazione per la luce a vari angoli di incidenza per garantire una luminosità uniforme.

3. Ottimizzazione dell'efficienza di diffrazione per diverse lunghezze d'onda

Diversi colori di luce hanno lunghezze d'onda diverse, il che influisce sulla loro efficienza di diffrazione. Inoltre, le diverse lunghezze d'onda determinano diversi angoli di diffrazione, il che significa che durante il processo di espansione della pupilla, varierà anche la frequenza di interazione dei diversi colori della luce con il reticolo di accoppiamento. Questi due fattori rendono difficile che ciascun colore della luce entri nell’occhio con le stesse proporzioni di energia, con conseguenti problemi di uniformità del colore. Pertanto, è difficile ottenere una buona uniformità del colore nelle immagini utilizzando una guida d'onda diffrattiva a strato singolo.

Per garantire che la luce di diverse lunghezze d'onda esca con uguali proporzioni di energia, viene generalmente impiegato un impilamento multistrato (due strati o più) di guide d'onda diffrattive. Ciascuno strato della guida d'onda diffrattiva è ottimizzato per controllare e migliorare l'energia per uno specifico intervallo di lunghezze d'onda, sopprimendo al tempo stesso la diafonia tra gli strati. Questo approccio garantisce che la luce di diverse lunghezze d'onda entri infine nell'occhio con proporzioni di energia uguali, migliorando l'uniformità del colore e visualizzando immagini normali e vibranti.

03 Riepilogo

Da un lato, le guide d'onda diffrattive hanno due funzioni principali: trasferimento isometrico dell'immagine ed espansione bidimensionale della pupilla. Sulla base di queste funzioni, consentono agli occhiali AR di essere leggeri e sottili e allo stesso tempo di accogliere una gamma più ampia di utenti, fornendo un forte senso di immersione e un'eccellente esperienza visiva. Inoltre, l’integrazione dei processi dei semiconduttori migliora la producibilità delle guide d’onda diffrattive, ponendo solide basi affinché gli occhiali AR possano entrare nel mercato consumer.

D’altra parte, essendo la tecnologia di visualizzazione tradizionale per gli occhiali AR, le guide d’onda diffrattive offrono un grande potenziale ma presentano anche una notevole complessità. L'ottimizzazione dell'efficienza di diffrazione deve essere considerata da molteplici aspetti, inclusi ordini di diffrazione, angoli di incidenza e lunghezze d'onda.

Con i continui progressi tecnologici e l’ulteriore ottimizzazione delle prestazioni, le guide d’onda diffrattive AR sono pronte a portare gli occhiali AR nelle case, brillando nell’era del metaverso.