Жалпы ішкі рефлексиядан SiC толқын жетектеріне дейін: AR көзілдіріктері дисплей оптикасының кедергілерінен қалай өтеді

AR көзілдірігі үшін негізгі техникалық кедергілердің бірі микро-дисплейдің өзі ғана емес, мөлдір линзалар ішінде виртуалды кескіндердің шынайы әлемге жоғары сапалы қабаттасуына қол жеткізу үшін оптикалық толқын өткізгіштерді қалай пайдалану керектігі болып табылады.

Оптикалық толқын өткізгіштер жарықты бір шетінен екіншісіне бірнеше миллиметр қалыңдықта өткізуі керек, сонымен бірге бір мезгілде жарықтың біркелкі шығуын және адам көзіне дәл жеткізілуін қамтамасыз етеді. Бұл жай ғана 'экранды кеңейту' емес, жарықтың таралуын нақты бақылауды талап ететін оптикалық инженерияның ерлігі - материалдарды, дифракцияны, поляризацияны және күрделі оптикалық алгоритмдерді үздіксіз зерттеумен негізделген процесс.

Толық ішкі шағылысу: толқын өткізгіштердегі жарықты өткізудің негізгі принципі.

Неліктен қарапайым, мөлдір жалпақ жабын жарықты бір шетінен екінші шетіне ағып кетпей тасымалдай алады? Жауап орта мектептің физика оқулықтарындағы принципте жатыр: Жалпы ішкі рефлексия (TIR).

Жарық сыну көрсеткіші жоғары ортадан сыну көрсеткіші төмен ортаға өткенде және түсу бұрышы критикалық бұрыштан асып кетсе, жарық шекара арқылы сынбайды; оның орнына ол толық ішкі шағылысудан өтеді және жоғары сыну көрсеткіші бар ортаға қайта шағылысады.

AR оптикалық толқын өткізгіштері дәл осы принципті пайдаланады: микродисплей шығаратын кескін сәулесі проекциялық жүйе арқылы коллимацияланады және бір шетіндегі кіріс байланыс аймағы арқылы толқын өткізгішке кіреді; ол толық ішкі шағылысу арқылы толқын өткізгіштің ішінде таралады және ақырында екінші жағындағы шығыс байланыс құрылымы арқылы шығарылады, жарықты пайдаланушының көзіне бағыттайды. Толқын өткізгіш субстрат пен қоршаған ауа арасындағы сыну көрсеткішінің айырмашылығы жарықты шектейді, бұл оның шыны немесе шайырдың жұқа парағында таралуына мүмкіндік береді.

Дегенмен, толық ішкі шағылысу елеулі шектеулер қояды: толқын өткізгіштегі жарықтың таралуы ерікті емес; белгілі бір бұрыштық жағдайларға сәйкес келетін жарық қана тұрақты тарай алады. Жарық қолдау көрсетілетін ауқымнан тыс түссе, ағып кетуі мүмкін. Бұл таралу шектеуі AR көзілдірігінің Көру өрісіне (FOV) тікелей әсер етеді, яғни виртуалды кескін пайдаланушының көру өрісін қамтитын бұрыштық диапазон. Бұл формуламен нақты сипатталатын физикалық шек. Жалғыз микропроектор жарық сәулесін толқын өткізгішке қосады деп есептесек, онда толқын өткізгіш ортаның сыну көрсеткіші n және ауаның сыну көрсеткіші 1 болса, жалғыз микропроектор үшін максималды қолдау көрсетілетін көру өрісі төмендегілерді қанағаттандырады:

Сыну көрсеткіші (n) 1,5 болғанда, теориялық көру өрісі (FOV) 30° шамасында болады; n = 1,75 кезінде теориялық диапазон шамамен 48 ° дейін артады; және n 2-ге жақындаған сайын ол теориялық тұрғыдан шамамен 60°-қа дейін кеңейе алады. Бұл AR көзілдіріктерінің FOV жалпы жылдар бойы 30°–40° диапазонында қалуының негізгі себебі: оптикалық архитектура шектеулерінен тыс материалдың сыну көрсеткіші FOV кеңеюіне әсер ететін маңызды фактор болып табылады.

Алайда, нақты AR жүйесіндегі FOV сыну көрсеткішімен ғана анықталмайтынын атап өткен жөн; оған микродисплейдің сандық апертурасы (NA), оптикалық қозғалтқыштың дизайны, толқын өткізгіш құрылымы, көз қарашығын кеңейту әдісі және оптикалық біркелкі сияқты факторлардың тіркесімі де әсер етеді.

Бір адам көзінің табиғи көру өрісі (FOV) шамамен 160° × 130°, бинокулярлы көлденең қабаттасу 120°-тан асады. Бірнеше ондаған градус диапазонында FOV диапазоны бар қазіргі AR жүйелері әлі де адам көзінің табиғи көру аймағына айтарлықтай жетпейді, бұл виртуалды бейнелерді қамтуды жақсартуға мүмкіндік береді. Демек, жоғары сыну көрсеткіштері бар материалдарды зерттеу, толқындық құрылымдарды оңтайландыру және жүйенің тиімділігін арттыру AR оптикасын дамытудың негізгі бағыттарына айналды.

Кремний карбиді: жоғары сыну көрсеткіші бар материалдардағы жаңа зерттеулер

Соңғы жылдары кремний карбиді (SiC) AR оптика саласында маңызды қызығушылық тудыратын жоғары сыну көрсеткіші бар материал ретінде пайда болды. Шамамен 2,6–2,7-ге жететін сыну көрсеткішімен ол дәстүрлі оптикалық шыны мен шайыр материалдарынан ерекше артықшылықтар береді. Теориялық тұрғыдан жоғары сыну көрсеткіші толқын өткізгіші қолдайтын жарықтың таралуының бұрыштық диапазонын кеңейтеді, бұл кең көру өрістері бар AR дисплейлері үшін жаңа материал опциясын қамтамасыз етеді. Жоғары сыну көрсеткіші бар материалдарға негізделген толқын өткізгіш шешімдерге қатысты зерттеулер мен тексеру жұмыстары да тұрақты түрде алға жылжуда. Мысалы, Meta Orion прототипі AR дисплей секторында жоғары сыну көрсеткіші бар материалдардың уәдесін баса көрсете отырып, SiC толқын өткізгіштерін пайдаланып кең көру өрістеріне қол жеткізу мүмкіндігін көрсетті.

Дегенмен, жоғары сыну көрсеткіші бар материалдар барлық оптикалық қиындықтардың жалғыз шешімі емес. Дифракциялық оптикалық толқын өткізгіштер үшін кемпірқосақ артефактілерінің пайда болуы бұрыннан келе жатқан мәселе: сыртқы жарық (мысалы, күн сәулесі) толқын өткізгіш бетіндегі дифракциялық торға түскенде, әртүрлі толқын ұзындығындағы жарық әртүрлі дисперсия дәрежесіне ұшырайды, нәтижесінде көру өрісінде түсті жиектер пайда болады. Жоғары сыну көрсеткіші бар материалдар толқын өткізгіштегі жарықтың таралу сипаттамаларын өзгерте алады және дифракциялық құрылым конструкцияларын оңтайландыруды жеңілдетеді, осылайша кемпірқосақ артефактілерінің әсерін азайтады.

Вестлейк университетінің командасы SiC материалдарына негізделген дифракциялық толқын өткізгіштер бойынша зерттеу нәтижелерін көрсетті, миниатюризацияда, жоғары оптикалық тиімділікте және кемпірқосақ артефактілерін жұмсартуда прогреске қол жеткізді, осылайша жоғары сыну көрсеткіші бар толқын өткізгіштерді дамыту үшін жаңа мүмкіндіктер ашты.

Сонымен қатар, SiC жоғары жылу өткізгіштікке ие. Идеал бір кристалды SiC жылу өткізгіштігі шамамен 490 Вт/(м·К) жетуі мүмкін болса да, бұл көрсеткіш тор ақаулары, өңдеу әдістері және материал құрылымы сияқты факторларға байланысты дайындалған толқын өткізгіш құрылғыларда әдетте төмендейді - ол әдеттегі шыныға қарағанда айтарлықтай жоғары болып қалады. Бұл SiC жалпы жүйе тұрақтылығын арттыруға көмектесетін жоғары жарықтығы бар AR дисплей жүйелері үшін ерекше жылуды басқару артықшылықтарын ұсынатынын білдіреді.

Дегенмен, жоғары сыну көрсеткіші де өндірістік қиындықтарды тудырады. SiC жоғары қаттылығына байланысты дәстүрлі өңдеу әдістері күрделі наноқұрылымдарды өндіруге қойылатын талаптарды қанағаттандыру үшін күреседі. Дифракциялық толқын өткізгіштерді қамтитын қолданбалар материалдың бетінде наноөлшемді құрылымдарды жасау үшін жоғары дәлдіктегі ою сияқты процестерді қажет етеді. Қазіргі уақытта SiC толқын өткізгіштері тәжірибелік валидациядан индустрияландыруға өтуде; құнына, өңдеу тиімділігіне және жаппай өндіріс мүмкіндіктеріне қатысты мәселелер әлі де шешімін табуда.

'Сызықтан' 'Бетке': Шығудағы оқушының кеңеюіндегі өлшемді секіріс

Жарық толқын өткізгішке енгеннен кейін, келесі мәселе адам көзінің қозғалысының ауқымын қамти отырып, оны біркелкі шығару болып табылады. Микродисплей арқылы жасалған жарық сәулесінің шығатын қарашығы әдетте бірнеше миллиметрді құрайды; дегенмен, пайдалану кезінде көз табиғи түрде қозғалатындықтан, көру үшін қолайлы 'көз жәшігі' аймағын жасау үшін шектеулі шығатын қарашықты кеңейту керек. Бұл процесс Exit Pupil Expansion (EPE) деп аталады.

Геометриялық оптикалық толқын өткізгіштер: айна массивтерінің дәлдік дизайны

Геометриялық оптикалық толқын өткізгіштер жарық энергиясын бірнеше шағылыстыратын беттерге біртіндеп тарату үшін енгізілген жартылай шағылыстыратын айналар массивін пайдаланады. Жарық әрбір шағылыстыратын бетпен кездескенде, энергияның бір бөлігі толқын өткізгіштен және пайдаланушының көзіне көрінеді, ал қалған бөлігі толқын өткізгіште таралуын жалғастырады. Бұл беттердің беріліс пен шағылысу қатынасын дәл бақылау сәуленің бір өлшем бойынша кеңеюіне мүмкіндік береді.

Неғұрлым жетілдірілген екі өлшемді массивтің геометриялық толқын өткізгіштері көлденең және тік өлшемдерде жарықтың кеңеюіне қол жеткізу үшін әртүрлі бағыттарға бағытталған сәулені бөлетін беттік массивтердің екі жинағын қамтиды; бұл 'көз қорабын' екі өлшемде кеңейтеді, осылайша гарнитураның орналасуына төзімділікті арттырады. Кейбір 2D массивінің толқын өткізгіш конструкциялары құрылымдық оңтайландыру арқылы миллиметрлік диапазондағы қалыңдықты сақтай отырып, ондаған градусты қамтитын көру өрісіне қол жеткізе алады.

Геометриялық толқын бағыттағыштары әдетте кемпірқосақ артефактілерінің төмен қаупімен қатар жоғары кескін сапасы мен түс өнімділігін ұсынады. Дегенмен, олардың көп қабатты жартылай шағылыстырғыш/жартылай өткізгіш құрылымдары жабын дәлдігіне, құрылымдық теңестіруге және өндіріс консистенциясына қатысты қатаң талаптарды қояды; демек, процестің күрделілігі мен өндіріс шығындары үздіксіз оңтайландыруға арналған сала болып қала береді.

Дифрактивтік оптикалық толқын өткізгіштер және беттік-рельефтік торлар: наноөлшемді жарықты басқару технологиясы

Дифракциялық оптикалық толқын өткізгіштер мүлдем басқа тәсілді қолданады: толқын өткізгіштің ішіне шағылыстырғыштарды енгізудің орнына, толқын өткізгіштің бетінде немесе оның құрылымында наносөлшемді мерзімді құрылымдар, атап айтқанда, беттік рельефтік торлар (SRGs) жасалады. SRG әдетте электронды-сәулелік литография, наноимпринттік литография немесе ион-сәулелік ою сияқты процестерді пайдаланып, ондаған және жүздеген нанометрлерге дейінгі тән өлшемдері бар толқын өткізгіш бетінде физикалық тор үлгілерін қалыптастыру үшін жасалады.

SRG негізгі жұмыс принципін тор теңдеуімен сипаттауға болады:

Төмендегі суретте OAS бағдарламалық құралындағы типтік көлбеу тордың құрылымының схемасы көрсетілген; тор кезеңін, жұмыс циклін, тереңдікті және көлбеу бұрышты жобалау арқылы әртүрлі толқын ұзындығы мен дифракция тәртібі үшін дифракция тиімділігін дәл бақылауға болады.

AR толқын бағыттағыштарында SRG әдетте үш негізгі функционалды аймақтан тұрады:

· Іліністегі тор: микропроекциялық қозғалтқыш шығаратын коллимацияланған жарық сәулесін толқын өткізгішке қосуға жауап береді, оның толық ішкі шағылысу таралу шарттарына сәйкес келуін қамтамасыз етеді.

· Бұрылмалы тор (кеңейту торы): жарықтың таралу бағытын өзгертеді — әдетте көлденең таралатын жарықты тік бағытқа қайта бағыттайды — бір өлшемді қарашық кеңеюіне қол жеткізу үшін.

· Сыртқы ілінісу торы: дисплейді жасау үшін толқын өткізгіштен жарықты біркелкі шығарып, оны пайдаланушының көзіне бағыттайды.

Бұл 'үш торлы' архитектура дифракциялық толқын өткізгіштерге жұқа оптикалық профильді сақтай отырып, салыстырмалы қарапайым құрылыммен екі өлшемді шығу көзінің кеңеюіне қол жеткізуге мүмкіндік береді, бұл оны тұтынушы деңгейіндегі AR көзілдіріктерінің негізгі технологиялық бағытына айналдырады. Геометриялық толқын өткізгіштермен салыстырғанда, дифракциялық толқын өткізгіштер жеңіл, жұқа пішін факторы және дизайн икемділігі сияқты артықшылықтарды ұсынады; кейбір конструкциялар миллиметрлік немесе тіпті миллиметрден кіші диапазондағы қалыңдығына қол жеткізе алады.

SRG жобалау және оңтайландыру құралдары: тор құрылымдарының өлшемдері жарық толқынының ұзындығымен салыстырылатындықтан, дәстүрлі геометриялық оптика әдістері олардың оптикалық әрекетін дәл сипаттай алмайды; демек, қатаң байланысқан толқынды талдау (RCWA) сияқты электромагниттік модельдеу әдістері қажет. RCWA тор аймағын бірнеше жұқа қабаттарға бөлу және электромагниттік өрістің таралуын сипаттау үшін Фурье кеңеюін пайдалану арқылы жұмыс істейді; ол әр түрлі дифракциялық тәртіптердің тиімділігі мен поляризациялық реакциясын есептеу үшін Максвелл теңдеулерін шешеді.

Бөлшектер тобын оңтайландыру (PSO) сияқты алгоритмдерді біріктіру арқылы инженерлер тор кезеңі, тереңдік, жұмыс циклі және көлбеу бұрыш сияқты айнымалылар арқылы анықталған параметр кеңістігіндегі жоғары конструкцияларды анықтай алады. Мысалы, 550 нм толқын ұзындығындағы S-поляризацияланған жарық жағдайында параметрді оңтайландыру дифракция тиімділігін шамамен 56%-дан 94,7%-ға дейін арттыруы мүмкін.

SRG негізгі артықшылықтары:

• Қалыңдығы 0,5 мм-ден төмен өте қарапайым құрылым;

• Тордың морфологиясы арқылы сәуленің бұрышын, біркелкілігін және поляризациясын басқаруға мүмкіндік беретін дизайнның жоғары икемділігі;

• Нано-imprint технологиясын қолданатын (мысалы, тұтынушыға арналған AR көзілдірігі үшін) төмен шығындарды жаппай өндіруге жарамды.

SRG-ге тән қиындықтар:

• Кемпірқосақ артефактілері: дисперсия сыртқы жарық (мысалы, күн сәулесі) беткі торға түсіп, түрлі-түсті жиектер пайда болған кезде пайда болады. Жоғары сыну көрсеткіші бар субстраттар (мысалы, SiC) бұл әсерді басуы мүмкін.

• Дисперсия: дисперсия сыртқы жарық (мысалы, күн сәулесі) беткі торға түсіп, түрлі-түсті жиектер пайда болған кезде пайда болады. Жоғары сыну көрсеткіші бар субстраттар (мысалы, SiC) бұл әсерді басуы мүмкін.

• Төмен оптикалық тиімділік: бір реттік дифракция тиімділігі әдетте 10%–30% құрайды; жалпы тиімділік тор профилін оңтайландыру немесе каскадты дизайн арқылы жақсартуды талап етеді.

• Поляризация сезімталдығы: SRG әртүрлі поляризация күйлеріне айтарлықтай әртүрлі жауап береді, бұл поляризацияланған жарық көздерін немесе поляризацияны түрлендіру құрылғыларын пайдалануды қажет етеді.

Сондықтан дифракциялық оптикалық толқын өткізгіштерді әзірлеу тек жұқа құрылымдарға қол жеткізуге ғана емес, оптикалық тиімділік, біркелкілік, көру өрісі (FOV) және қоршаған ортаға бейімделу арасындағы жақсы тепе-теңдікті сақтауға бағытталған.

Тиімділік пен біркелкілік арасындағы физикалық тепе-теңдік

Дифракциялық оптикалық толқын өткізгіштер ұзақ уақыт бойы іргелі қақтығыстарға тап болды: дисплейдің жарықтығын арттыру торды біріктіру тиімділігін арттыруды талап етеді; дегенмен, жоғары тиімділік паразиттік дифракцияның жоғарылауына және энергияның ағуына әкелуі мүмкін, әсіресе кең көру өрістерімен, осылайша дисплей біркелкілігін бұзады. Керісінше, шамадан тыс дәрежеде біркелкілікке басымдық беру жалпы оптикалық тиімділіктің құнына әкелуі мүмкін. Тиімділік пен біркелкілік арасындағы бұл қайшылық кәдімгі торлардың поляризация күйлері мен таралу жолдарына пассивті реакциясынан туындайды.

Соңғы жылдары поляризация көлемінің голографиялық торлары (PVGs) оңтайландырудың жаңа жолын ұсынды. Беттік рельефті торлардан айырмашылығы, PVG жарықтың таралуын модуляциялау үшін голографиялық кедергі арқылы материалда қалыптасқан мерзімді сыну көрсеткішінің құрылымын пайдаланады. Зерттеулер көрсеткендей, белгілі бір жағдайларда PVG жарықтың таралуының тиімділігін арттыру және кейбір паразиттік дифракция әсерінен туындаған энергия шығындарын азайту үшін поляризацияны түрлендіру механизмдерін қолдана алады. Олардың ішінде аномальды поляризациялық конверсия (APC) механизмі ерекше назар аударды.

Мақсатты жол бойымен көбірек оптикалық энергияны бағыттау үшін жарықтың поляризация күйін белсенді түрде модуляциялау арқылы бұл механизм байланыс тиімділігі мен жарықтық біркелкілігін арттыруға мүмкіндік береді. Дегенмен, PVG және APC сияқты технологиялар белсенді зерттеулерде қалады; олардың кең ауқымды практикалық қолданылуы материалдық жүйелерге, өндірістік процестерге және экономикалық тиімділікке қатысты қосымша тексеруді талап етеді.

Микродисплей және жүйе интеграциясы: Оптикалық жүйенің жалпы балансы

Оптикалық толқын өткізгіштер 'өткізгіштер' ретінде қызмет етеді, ал алдыңғы жағындағы оптикалық қозғалтқыш — микродисплей — жарықтықты, контрастты және түсті анықтайды. Қазіргі уақытта AR көзге жақын дисплейлер саласында зерттелетін микро-дисплей технологиясының негізгі жолдарына Micro-OLED, LCoS/DLP және Micro LED кіреді.

Micro-OLED: салыстырмалы түрде жетілген көзге жақын дисплей шешімі

Ол өте жоғары контрастты (миллионнан бір ауқымда) және жетілудің ең жоғары деңгейін ұсынады. Көздің әдеттегі жарқырауы 1000-нан 1250 нитке дейін ауытқиды, бұл қалыпты жарық ортада негізгі оқылуды қамтамасыз етеді, бірақ күшті сыртқы жарықта өнімділік жеткіліксіз болып қалады. Кейбір үлгілер он мыңдаған ниттердің ең жоғары жарықтық деңгейіне қол жеткізе алатынымен, қуат тұтынуы мен қызмет ету мерзімі шектеу факторлары болып табылады.

LCoS/DLP: Жоғары жарықтылық тәсілі, бірақ миниатюризацияға қатысты қиындықтар бар.

Он мыңдаған нит жарықтық деңгейіне қол жеткізуге қабілетті бұл жүйелерде үлкен оптикалық қозғалтқыштар (4–6 см) және жылуды басқарудың жоғары талаптары бар, бұл жұқа, жеңіл форма факторына қол жеткізуді қиындатады.

Micro LED: болашақ AR дисплейлеріне негізгі үміткер

Теориялық жарықтығы 100 000 ниттен асатын, көлемі 0,5 см-ден аз және қызмет ету мерзімі 100 000 сағаттан асатын (SiC толқын өткізгіштерімен жоғары үйлесімділікпен бірге) бұл түпкілікті шешім ретінде қарастырылады. Дегенмен, толық түсті дисплейлер үшін массалық тасымалдаудың кірістілігі негізгі инженерлік қиыншылық болып қала береді және ағымдағы мүмкіндіктер тұтынушы деңгейіндегі жаппай өндіріс талаптарына әлі сәйкес келмейді.

Сонымен қатар, көру өрісі (FOV), көз қорабы, толқын өткізгіш қалыңдығы, біріктіру тиімділігі және қуат тұтыну арасындағы айырбастар AR оптикалық дизайнын жоғары өлшемді параметр кеңістігінде оңтайландыру мәселесін шешуге ұқсас етеді. Бұл тұтынушы деңгейіндегі талаптарға шынымен жауап беретін AR көзілдіріктерінің әлі де кең таралмағанын түсіндіреді: мәселе қандай да бір технологияның орындылығында емес, бүкіл жүйеде біртұтас тепе-теңдіктің жоғары деңгейіне қол жеткізуде.

Бірнеше техникалық жолдар арқылы AR оптикасының синергетикалық дамуы

AR оптикалық толқын өткізгіш технологиясы қазіргі уақытта үздіксіз эволюциядан өтуде. Бір жағынан, жоғары сыну көрсеткіші бар материалдар көру аймағын кеңейту және оптикалық өнімділікті оңтайландыру үшін жаңа мүмкіндіктер ұсынады; екінші жағынан, PVG және поляризацияны бақылау сияқты технологиялар оптикалық тиімділік пен дифракциялық толқын өткізгіштердегі біркелкілік арасындағы келіссөздерді қарастырады. Сонымен қатар, MicroLED сияқты дамып келе жатқан микро-дисплей технологияларының дамуы AR жүйелерінің эволюциясын жоғарырақ жарықтық пен ықшам форма факторларына қарай жылжытады.

Қолданбаның әртүрлі сценарийлері көру өрісіне, салмағына, құнына, батареяның қызмет ету мерзіміне және дисплей сапасына қатысты әртүрлі талаптарды қояды; демек, болашақ AR көзілдірік нарығы көптеген техникалық шешімдердің қатар өмір сүруін көруі мүмкін.

Толық ішкі шағылысудан жоғары сыну көрсеткіші бар материалдарға дейін және геометриялық шағылыстыру құрылымдары мен дифракциялық торлардан поляризация көлемінің голографиялық технологиясына дейін оптикалық толқын өткізгіштердің эволюциясы негізінен жарықтың таралуын дәлдікпен басқаруға арналған үздіксіз ізденіс болып табылады. Әрбір технологиялық прогресс материал қасиеттерінің, оптикалық дизайнның және өндіріс процестерінің шекарасындағы серпілісті білдіреді.

Болашақта оптикалық жүйелер, микро-дисплей технологиялары және есептеу қуаты жақындаған сайын, AR көзілдіріктері табиғи, жеңіл және тәулік бойы қолдануға жарамды болу мақсатына жақындауға дайын. Оптикалық толқын өткізгіштер AR көзілдіріктерін көрсету тәжірибесін анықтайтын маңызды негізгі технология болып қала береді.

Дереккөз: Wuhan Eryuan Technology және Aibang Zhizao құрастырған