Cos'è la guida d'onda diffrattiva AR?

La guida d'onda diffrattiva è una soluzione di visualizzazione ottica tradizionale per occhiali AR. Molti dispositivi AR adottano questa tecnologia. Perché i principali produttori di hardware AR sono così appassionati delle guide d'onda diffrattive? Cos'è esattamente una guida d'onda diffrattiva?

01 Definizione di guida d'onda diffrattiva

Per ottenere una comprensione più profonda, possiamo scomporre il termine 'guida d'onda diffrattiva' in due parti: diffrazione e guida d'onda.

In genere, sappiamo che la luce può propagarsi in tre modi: propagazione rettilinea, riflessione e rifrazione. Ad esempio, i mirini a infrarossi, i periscopi e il modo in cui una cannuccia appare piegata quando viene messa nell'acqua si basano tutti su questi tre principi. La diffrazione, invece, è il quarto modo in cui la luce può propagarsi.

Nel XVII secolo il professore di matematica italiano Francesco Grimaldi scoprì e coniò il termine 'diffrazione', che deriva dalla parola latina 'diffrangere', che significa 'rompere in pezzi'. Questo si riferisce alla direzione originaria della propagazione delle onde che viene 'spezzata' e piegata in direzioni diverse.

Nei suoi esperimenti, fece passare un raggio di luce attraverso due piccole aperture e su uno schermo in una stanza buia, osservando uno schema di strisce chiare e scure ai bordi della proiezione. Pertanto con diffrazione si intende il fenomeno fisico per cui la direzione di propagazione delle onde cambia quando si incontrano ostacoli o fenditure.

Dato che effetti di diffrazione evidenti possono essere osservati solo quando la dimensione di un ostacolo o la larghezza di una fenditura è paragonabile o inferiore alla lunghezza d'onda dell'onda, spesso è difficile vedere la diffrazione della luce nella nostra vita quotidiana. Tuttavia, in determinate condizioni speciali, possiamo osservarlo. Ad esempio, il fenomeno della 'gloria' visto nel cielo, che appare come un alone colorato attorno alle ombre, è il risultato della diffrazione della luce solare attraverso piccole goccioline d'acqua e cristalli di ghiaccio nelle nuvole.

Dopo aver discusso della diffrazione, cos'è esattamente una guida d'onda?

Nel nostro mondo esistono vari tipi di onde, comprese le onde luminose, le onde sonore e le onde elettromagnetiche.

Una guida d'onda è un dispositivo che trasmette queste onde da un luogo all'altro. Pertanto, una guida d'onda luminosa è un mezzo o un dispositivo che guida le onde luminose mentre si propagano.

Comprendendo sia la diffrazione che le guide d'onda, possiamo definire una guida d'onda diffrattiva: in poche parole, è un mezzo che utilizza la diffrazione della luce per guidare le onde luminose mentre viaggiano.

Guida d'onda diffrattiva

Per spiegare ulteriormente, una guida d'onda diffrattiva è progettata per utilizzare le proprietà di diffrazione dei reticoli per creare un 'percorso luminoso', consentendo alla luce di propagarsi lungo un percorso predeterminato e guidando la luce emessa da un sistema di microproiezione nell'occhio umano.

Il reticolo di diffrazione, un elemento ottico con struttura periodica, è il componente principale della guida d'onda diffrattiva. In base al tipo di reticolo utilizzato, le guide d'onda diffrattive possono essere classificate in due tipi: guide d'onda con reticolo a rilievo superficiale e guide d'onda con reticolo olografico volumetrico.

02 Guida d'onda a reticolo in rilievo superficiale

I reticoli in rilievo superficiale vengono creati 'scolpindo' alti picchi e basse valli sulla superficie di un materiale attraverso processi come la fotolitografia e l'incisione. Questa tecnica di fabbricazione raggiunge una struttura periodica che soddisfa le prestazioni ottiche richieste.

Questi reticoli manipolano la luce che interagisce con essi, consentendo un'efficace diffrazione e guida della luce all'interno della guida d'onda. I reticoli a rilievo superficiale sono ampiamente utilizzati grazie alla loro semplicità di fabbricazione e alla loro capacità di essere integrati in vari sistemi ottici.

Immagine SEM del reticolo in rilievo della superficie

Guida d'onda a reticolo a rilievo superficiale per guidare la luce emessa da un sistema di microproiezione (motore ottico) nell'occhio umano, la luce deve passare attraverso i processi di accoppiamento e accoppiamento. Nello specifico, la luce emessa dal motore ottico entra nella guida d'onda attraverso il reticolo di ingresso, si propaga per riflessione interna totale all'interno della guida d'onda piatta e viene infine trasmessa all'occhio umano tramite il reticolo di uscita. Le griglie di ingresso e di uscita qui utilizzate sono griglie a rilievo superficiale.

Poiché le caratteristiche su scala nanometrica del reticolo sono paragonabili alla lunghezza d'onda della luce, la luce non dovrebbe essere considerata come raggi ordinari ma piuttosto trattata come onde elettromagnetiche. Quando la luce colpisce il reticolo, subisce una diffrazione multiordine.

Ad esempio, se il motore ottico emette luce monocromatica (come la luce verde), questa luce verrà divisa in diversi raggi che viaggiano in direzioni diverse (ordini di diffrazione) quando colpiscono il reticolo di ingresso. Uno di questi ordini di diffrazione diversi da zero (ad esempio, ordine +1) soddisferà la condizione di riflessione interna totale della guida d'onda piatta, consentendole di entrare e propagarsi attraverso la guida d'onda tramite riflessione interna totale. Questo specifico ordine di diffrazione viene definito ordine di funzionamento della guida d'onda diffrattiva. Controllando con precisione parametri quali periodo, ciclo di lavoro, profondità della scanalatura e angolo della parete laterale del reticolo, la maggior parte dell'energia luminosa può essere concentrata nell'ordine di funzionamento della guida d'onda diffrattiva, accoppiando efficacemente la maggior parte dell'energia luminosa nella guida d'onda. Questo processo è noto come processo di accoppiamento della guida d'onda diffrattiva.

Di conseguenza, quando la luce che si propaga attraverso la riflessione interna totale all'interno della guida d'onda diffrattiva incontra il reticolo di uscita, produrrà anche diversi ordini di diffrazione. Uno di questi ordini diversi da zero uscirà dalla guida d'onda diffrattiva in una direzione specifica, entrando successivamente nell'occhio umano. Questo è noto come processo di accoppiamento della guida d'onda diffrattiva.

Se il motore ottico emette luce colorata, oltre ai processi sopra menzionati, saranno coinvolte altre complessità. A causa delle diverse lunghezze d'onda dei diversi colori della luce, anche le loro efficienze di diffrazione differiranno. Di conseguenza, durante la propagazione, l'energia di ciascun colore della luce può essere persa in varia misura, con conseguente dispersione. Ottimizzando vari parametri del reticolo, il reticolo può controllare con precisione l'energia delle diverse lunghezze d'onda della luce, riducendo così al minimo i problemi di dispersione e permettendoci infine di vedere immagini con colori accurati.

Per affrontare i complessi problemi della diffrazione dei reticoli, l'azienda ha sviluppato una suite completa di software di calcolo per diversi tipi di reticoli, basata sul metodo modale di Fourier (FMM), in grado di calcolare in modo rapido e accurato i problemi di diffrazione relativi ai reticoli.

Inoltre, l'azienda possiede un centro di lavorazione principale del reticolo completamente attrezzato e un sistema completo di produzione di massa per guide d'onda diffrattive, ottenendo uno stretto coordinamento tra progettazione e produzione. Quando si progettano i grigliati, è possibile tenere in considerazione le capacità di lavorazione del master e le tecniche di produzione, consentendo aggiustamenti e ottimizzazioni tempestivi quando sorgono problemi, con il risultato di un rapido ciclo di iterazione del prodotto.

La guida d'onda diffrattiva, molto apprezzata dai principali produttori di hardware AR, si riferisce specificamente alla guida d'onda con reticolo in rilievo superficiale. I suoi vantaggi includono un design sottile, un ampio campo visivo, un'ampia gamma di movimenti oculari e bassi costi di produzione di massa, che lo rendono ampiamente considerato come il percorso tecnologico di visualizzazione principale nel settore AR.

03 Guida d'onda a reticolo olografico del volume

Il processo di propagazione della luce in una guida d'onda a reticolo olografico volumetrico è fondamentalmente simile a quello in una guida d'onda a reticolo in rilievo superficiale.

La differenza fondamentale sta nel modo in cui viene creato il reticolo olografico del volume. Invece di essere 'scolpito', il reticolo olografico del volume è formato esponendo una pellicola di fotoresist su un substrato a schemi di interferenza creati da due fasci di luce coerenti. Questo processo genera una distribuzione spaziale periodica con indici di rifrazione variabili a livello molecolare. I reticoli olografici del volume funzionano tipicamente in condizioni di diffrazione di Bragg.

Cosa sono le condizioni di diffrazione di Bragg?

Nel 1912, lo scienziato tedesco Max von Laue scoprì il fenomeno della diffrazione dei raggi X nei cristalli, ponendo le basi per lo studio della fisica della diffrazione dei raggi X. Nello stesso anno, Lawrence Bragg, attraverso ripetuti studi presso il Laboratorio Cavendish, concluse che questo fenomeno è un tipo di effetto di diffrazione delle onde.

Nel 1913, Lawrence Bragg e suo padre, Henry Bragg, proposero congiuntamente la forma di diffrazione dei raggi X di Bragg (nota come diffrazione di Bragg). Hanno scoperto che quando le onde delle particelle subatomiche entrano in un cristallo, se la lunghezza d'onda delle onde delle particelle è vicina alla distanza tra gli atomi nel cristallo, le onde delle particelle verranno diffuse dagli atomi in modo speculare. Questa dispersione risulterà in un'interferenza costruttiva secondo la legge di Bragg, formando picchi concentrati di onde (noti come picchi di Bragg). Le condizioni di Bragg sono i criteri che devono essere soddisfatti affinché si verifichi un'interferenza costruttiva.

Diagramma schematico della diffrazione di Bragg

Basandosi sul principio della diffrazione di Bragg, quando le onde luminose soddisfano le condizioni di Bragg, i reticoli olografici volumetrici possono raggiungere un'efficienza di diffrazione molto elevata. Tuttavia, le condizioni di Bragg impongono requisiti rigorosi sull’angolo e sulla lunghezza d’onda della luce incidente. Se queste condizioni non vengono soddisfatte, l’efficienza di diffrazione può diminuire rapidamente. Ciò si traduce in guide d'onda a reticolo olografico di volume che faticano a raggiungere una buona uniformità del colore, il che non riesce a soddisfare le richieste del mercato.

Attualmente, le guide d'onda a reticolo olografico volumetrico presentano lacune significative rispetto alle guide d'onda a reticolo in rilievo superficiale in termini di prestazioni di visualizzazione, commercializzazione del prodotto e supporto industriale.

04 Riepilogo

Le guide d'onda diffrattive AR utilizzano le caratteristiche di diffrazione dei reticoli per progettare 'percorsi luminosi', consentendo alla luce emessa dai sistemi di microproiezione di essere diretta nell'occhio umano. In base al tipo di reticolo di diffrazione utilizzato, le guide d'onda diffrattive possono essere classificate in guide d'onda con reticolo in rilievo superficiale e guide d'onda con reticolo olografico volumetrico.

Le guide d'onda a reticolo con rilievo superficiale offrono vantaggi come la leggerezza, un ampio campo visivo, un'ampia gamma di movimenti oculari e bassi costi di produzione di massa. Di conseguenza, sono ampiamente considerati la tecnologia di visualizzazione principale nel settore AR. Sebbene le guide d'onda a reticolo olografico volumetrico presentino un'efficienza di diffrazione molto elevata, hanno difficoltà con l'uniformità del colore a causa delle rigorose condizioni di diffrazione di Bragg e sono ancora nelle fasi iniziali dello sviluppo tecnologico, richiedendo progressi significativi per raggiungere scoperte rivoluzionarie.

Con i continui progressi tecnologici e miglioramenti nella lavorazione, le guide d'onda diffrattive AR basate su reticoli in rilievo superficiale stanno iniziando a entrare nel mercato di consumo. Si ritiene che in futuro forniranno esperienze di visualizzazione AR eccezionali a più produttori di hardware AR.