AR көзілдірігі дисплейінде дифракциялық толқын өткізгіш технологиясы қалай жұмыс істейді

Алдыңғы мақаламызда «AR дифракциялық толқын өткізгіш дегеніміз не?» Біз дифракциялық толқын өткізгіштердің негізгі принциптерін түсіндірдік және беттік рельефті тор толқын өткізгіштері мен көлемді голографиялық тор толқын өткізгіштері арасындағы айырмашылықтарды атап өттік. Бүгін біз дифракциялық толқын өткізгіштердің негізгі функциялары мен оңтайландыру бағыттарына тереңірек үңіліп, AR көзілдіріктеріне арналған негізгі дисплей технологиясы ретінде беттік рельефтік торларға негізделген дифракциялық толқын өткізгіштер неге пайда болғанын талқылаймыз.

01 Дифрактивтік толқын өткізгіштердің негізгі функциялары

1. Кескінді изометриялық тасымалдау

Алдыңғы мақалаларымыздан біз дифракциялық толқын өткізгіш микропроекциялық жүйеден (оптикалық қозғалтқыш) адам көзіне түсетін жарықты бағыттау үшін оның қосылу және қосылу процестерінен өтуі керек екенін білеміз. Атап айтқанда, оптикалық қозғалтқыш шығаратын жарық жалпақ толқын өткізгішке муфта торы арқылы енеді, оның ішінде толық ішкі шағылысу арқылы таралады және соңында ілінісу торы арқылы көзге беріледі.

Бұл процестің ең маңызды аспектісі - толық ішкі рефлексия. Бірақ толық ішкі көрініс дегеніміз не?

Толық ішкі шағылу жарықтың сыну көрсеткіші жоғары ортадан сыну көрсеткіші төмен ортаға өткенде және түсу бұрышы критикалық бұрыштан үлкен немесе оған тең болғанда орын алады. Толық ішкі шағылу шарттары орындалғанда, жарық шағылысу арқылы тегіс толқын өткізгіш арқылы үздіксіз таралады, осылайша жарық бағытын өзгертуге мүмкіндік береді. Толық ішкі шағылысу нәтижесінде пайда болатын белгілі табиғат құбылысы – закым.

Әдетте, AR көзілдірігі кескіндерді оптикалық қозғалтқышты пайдаланып шығарады. Дегенмен, оптикалық қозғалтқышты тікелей линзаға қою пайдаланушының көруіне кедергі келтіреді және көзге ұнамайды. Оның үстіне, тек оптикалық қозғалтқышқа сену виртуалды және нақты кескіндерді біріктірудің қажетті әсеріне қол жеткізе алмайды.

Толық ішкі шағылысу принципін қолдана отырып, дифракциялық толқын өткізгіштер оптикалық қозғалтқышпен жобаланған кескіндердің изометриялық тасымалдануын орындай алады, бұл оптикалық қозғалтқышты көзілдіріктің үстіңгі немесе жағында орналастыруға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл пайдаланушының көру аймағына кедергі келтіріп қана қоймайды, сонымен қатар жоғары жарық өткізу жылдамдығы мен дифракциялық толқын өткізгіштің жұқа профиліне байланысты AR көзілдіріктерін сыртқы түрі бойынша кәдімгі көзілдіріктерге жақындатады және виртуалды-нақты интеграцияның қажетті әсеріне қол жеткізеді.

Дифракциялық толқын өткізгіш кескінді көзге беру үшін ғана жауап беретінін және кескіннің мазмұнына әсер етпейтінін атап өту маңызды, яғни оның кескін өлшемін үлкейту немесе кішірейту мүмкіндігі жоқ.

2. Екі өлшемді оқушының кеңеюі

Стандартты оптикалық дисплей шешімдерінде әдетте қарашықты кеңейту мүмкіндіктері жоқ, бұл көрушінің кескіндерді тек оптикалық қозғалтқыштың шығатын қарашығының өлшемінің ауқымында (яғни, көз қозғалысы ауқымы) көруін шектейді. Мысалы, егер оптикалық қозғалтқыштың шығу көзінің өлшемі φ5 мм болса, пайдаланушы кескінді тек φ5 мм диапазонында көре алады. Бұл әлемді көру тесігі арқылы қарауға ұқсайды, бұл суға түсу мен көрнекі тәжірибені айтарлықтай төмендетеді.

Бұл мәселені шешу үшін дифракциялық толқын өткізгіштер ықшам өлшемді және кең көру өрісін сақтай отырып, шығатын қарашықтың екі өлшемді кеңеюіне қол жеткізе алады. Бұл екі бағыттағы көз қозғалысының диапазонын тиімді түрде арттырады, жоғары батыру сезімін және жақсартылған көрнекі тәжірибені қамтамасыз етеді, сонымен қатар әр түрлі оқушы аралық қашықтықты сақтайды. Бұл дифракциялық толқын өткізгіштердің екінші негізгі функциясын білдіреді.

Екі өлшемді оқушының кеңеюін жүзеге асырудың екі тәсілі бар. Біріншісі үш өлшемді торды (яғни, ілінісу торын, иілу торын және ілінісу торын) пайдалануды қамтиды. Екінші тәсілде бір өлшемді тор (байланыс торы) және бір екі өлшемді тор (байланыстыру торы) қолданылады.

Бірінші тәсілде оптикалық қозғалтқыштан шыққан жарық муфта торы арқылы толқын өткізгішке қосылады. Содан кейін жарық толық ішкі шағылысудан өтеді және иілу торына түседі, мұнда жарықтың бір бөлігі қосылатын торға қайта бағытталады, ал қалған жарық шағылысу арқылы алға қарай таралуын жалғастырады. Бұл жарық қайтадан иілу торына түседі, ал басқа бөлігі ілінісу торына қайта бағытталады. Бұл процесс бір өлшемді оқушының кеңеюіне қол жеткізу үшін қайталанады.

Соңында, ілінісу торына түсетін жарық оның бір бөлігін көзге таратады, ал қалған жарық шағылысу арқылы алға қарай таралады, қайтадан ілінісу торымен әрекеттеседі. Бұл процесс бір өлшемді оқушының кеңеюінің басқа бағытына әкеледі. Осы екі бір өлшемді кеңейту біріктірілгенде, олар екі өлшемді қарашық кеңеюін жасайды.

Екінші тәсілде процесс оптикалық қозғалтқыштан шығарылатын жарықты муфта торының көмегімен толқын өткізгішке қосу арқылы да басталады. Содан кейін жарық толық ішкі шағылысудан өтеді және екі өлшемді ілінісу торына түседі. Бұл кезде жарықтың бір бөлігі көзге дифракцияланады, ал қалған жарық бөлінеді және көлденең және тік бағытта шағылу арқылы алға қарай таралады.

Содан кейін жарық қайтадан қосылатын тормен әрекеттеседі, мұнда басқа бөлігі көзге дифракцияланады. Бұл процесс қайталанып, екі өлшемді оқушының кеңеюіне тиімді қол жеткізеді.

Жоғарыда екі өлшемді қарашықты кеңейту схемаларының физикалық процестері сипатталған. Салыстырмалы түрде алғанда, бірінші схема дифракциялық толқын өткізгіштің дизайны мен жасалуы жағынан салыстырмалы түрде қарапайым, бірақ ол линзаның жалпы аумағын көбірек алады. Екінші схема, екінші жағынан, екі өлшемді торларды пайдалануды талап етеді, оларды жобалау және өндіру күрделірек, бұл оны жүзеге асыруды қиындатады. Дегенмен, бұл тәсіл объектив аумағын азайтуға мүмкіндік беретін ықшам жалпы құрылымды береді.

Екі өлшемді қарашықтың кеңеюін қолдану арқылы біз көздің қозғалыс ауқымын арттырып, пайдаланушының суға түсуін жақсартып қана қоймай, сонымен қатар көлденең және тік бағыттағы оптикалық қозғалтқыштың салмағы мен өлшемдерін азайтып, AR көзілдіріктерін жеңілірек және бейімделгіш ете аламыз.

Екі өлшемді оқушының кеңеюі кескінді бірнеше рет қайталағанымен, біз шын мәнінде бірнеше кескінді емес, бір ғана кескінді қабылдайтынымызды ескеру маңызды. Себебі ілінісу торы арқылы берілетін кескін нақты емес, виртуалды кескін болып табылады. Сонымен қатар, адам миы өзі көретін жарық сәулелерінің ұзартылған көру сызығын ұстану арқылы өзін алдауға бейім. Көз қарашығының кеңеюі нәтижесінде пайда болатын жарық сәулелері бір виртуалды кескіннің әртүрлі бұрыштарына сәйкес келеді, сондықтан кеңейтілген жарық сәулелерінің қанша түрлі позициясын көз қабылдайтынына қарамастан, олар кеңейтілген көру сызығы негізінде бір кескінге оралады.

Мысалы, бұл жазық айна арқылы шамды бақылауға ұқсайды. Шамның жарығы айнадан шағылысып, көзге түседі, содан кейін жарық сәулелерінің ұзартылған сызығына негізделген виртуалды кескінді іздейді. Диаграммада бейнеленген үш жарық сәулесін дифракциялық толқын өткізгіштегі үш түрлі позициядағы кеңейтілген жарық сәулелері ретінде түсінуге болады. Диаграммада көрсетілгендей, біз осы үш жарық сәулесін бір уақытта көргенде, олардың барлығы бір кескінді көрсетеді.

Сонымен қатар, дифракциялық толқын өткізгіштердің энергия тиімділігі төмен деген қате түсінік бар. Шындығында, бұл қабылдау екі өлшемді қарашықтың кеңеюіне қол жеткізу процесінде пайда болады, бұл жерде дифракциялық толқын өткізгіш жарық энергиясын көптеген бөліктерге бөліп, оны әрбір шығатын қарашықтың позициясы бойынша біркелкі таратуы керек. Нәтижесінде аудан бірлігіне келетін энергия табиғи түрде азаяды. Алайда, егер біз дифракциялық толқын өткізгіштің барлық жарық сәулелерін көзге жинайтын болсақ, оның энергия тиімділігі шын мәнінде төмен емес екенін көреміз.

Осылайша, дифракциялық толқын өткізгіштердің энергия тиімділігінің төмен болуының негізгі себебі - бұл көз қарашығының кеңеюі. Дегенмен, кеңею дифракциялық толқын өткізгіштердің маңызды ерекшелігі болып табылады және бұрын айтылғандай, ол көптеген артықшылықтарды ұсынады. Сондықтан, оқушының кеңеюінің белгілі бір деңгейін сақтай отырып, энергия тиімділігін барынша арттыру өте маңызды.

02 Дифрактивтік толқын өткізгіштерге арналған үш негізгі оңтайландыру бағыты

1. Жарық дифракциясының тиімділігін оңтайландыру

Жоғарыда айтылғандай, көптеген адамдар дифракциялық толқын өткізгіштердің энергия тиімділігі төмен екенін түсінеді. Бұл мәселені шешу үшін көз қарашығының кеңеюінің белгілі бір деңгейін сақтай отырып, жарықтың дифракциялық тиімділігін оңтайландыру арқылы энергия тиімділігін арттыру қажет.

Наноөлшемді торлардың мүмкіндік өлшемі жарықтың толқын ұзындығымен салыстырылатындықтан, таралу кезінде жарықты қарапайым сәулелер ретінде емес, электромагниттік толқындар ретінде қарастыру өте маңызды. Жарық торға түскенде, ол бірнеше түрлі бағыттарға (дифракциялық тәртіптерге) бөлінеді және сөзсіз, процесте жарық энергиясының бір бөлігі жоғалады.

Жарық энергиясының басым бөлігі дифракциялық толқын өткізгішке қосылғанына көз жеткізу үшін, әдетте, дифракциялық толқын өткізгіштің жұмыс тәртібі ретінде арнайы нөлдік емес дифракция тәртібін (жалпы ішкі шағылу шарттарына сәйкес) таңдаймыз. Тор кезеңі, жұмыс циклі, ойық тереңдігі және бүйір бұрышы сияқты параметрлерді дәл бақылау арқылы біз жарық энергиясының көп бөлігін осы жұмыс тәртібіне шоғырландыра отырып, жарықтың дифракциялық тиімділігін оңтайландыра аламыз. Бұл, өз кезегінде, энергия тиімділігін арттырады және кескін жарықтығын арттыруға мүмкіндік береді.

2. Әртүрлі инциденттер үшін дифракция тиімділігін оңтайландыру

Торды оңтайландыру кезінде ескеретін тағы бір маңызды фактор - жарықтың түсу бұрышының дифракция тиімділігіне әсері.

Оптикалық қозғалтқышпен проекцияланған кескін жарық бетін құрайтындықтан, осы беттегі әртүрлі позициялардан жарық дифракциялық толқын өткізгішке әртүрлі бұрыштармен түседі. Дифракциялық толқын өткізгіштер үшін әртүрлі түсу бұрыштары әртүрлі дифракция тиімділігіне әкеледі, бұл кескіннің жалпы жарықтығындағы сәйкессіздікке әкеледі.

Сондықтан белгілі бір дифракция тәртібі үшін дифракция тиімділігін оңтайландырумен қатар, біркелкі жарықтылықты қамтамасыз ету үшін әртүрлі түсу бұрыштарындағы жарық үшін дифракция тиімділігін оңтайландыру маңызды.

3. Әртүрлі толқын ұзындығы үшін дифракция тиімділігін оңтайландыру

Жарықтың әртүрлі түстерінің толқын ұзындығы әртүрлі, бұл олардың дифракциялық тиімділігіне әсер етеді. Сонымен қатар, әртүрлі толқын ұзындықтары әртүрлі дифракциялық бұрыштарға әкеледі, яғни қарашықтың кеңеюі процесінде жарықтың әртүрлі түстерінің байланыс торымен әрекеттесу жиілігі де өзгереді. Бұл екі фактор жарықтың әрбір түсінің көзге бірдей энергия пропорцияларымен енуін қиындатады, нәтижесінде түс біркелкілігімен проблемалар туындайды. Осылайша, бір қабатты дифракциялық толқын өткізгіштің көмегімен кескіндерде жақсы түс біркелкілігіне қол жеткізу қиын.

Әртүрлі толқын ұзындығындағы жарықтың бірдей энергия пропорцияларымен шығуын қамтамасыз ету үшін әдетте дифракциялық толқын өткізгіштердің көп қабатты (екі қабат немесе одан да көп) қабаттасуы қолданылады. Дифракциялық толқын өткізгіштің әрбір қабаты белгілі бір толқын ұзындығы диапазоны үшін энергияны басқару және жақсарту үшін оңтайландырылған, сонымен қатар қабаттар арасындағы айқас сөйлесуді басады. Бұл тәсіл әртүрлі толқын ұзындығындағы жарықтың көзге тең энергия пропорцияларымен түсуін қамтамасыз етеді, түс біркелкілігін жақсартады және қалыпты, жанды кескіндерді көрсетеді.

03 Түйіндеме

Бір жағынан, дифракциялық толқын өткізгіштердің екі негізгі функциясы бар: кескіннің изометриялық тасымалдануы және екі өлшемді қарашықтың кеңеюі. Осы функцияларға сүйене отырып, олар AR көзілдіріктерін жеңіл және жұқа етіп жасауға мүмкіндік береді, сонымен бірге пайдаланушылардың кең ауқымын орналастыра отырып, күшті батыру сезімін және тамаша көрнекі тәжірибені қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, жартылай өткізгіш процестерді біріктіру дифракциялық толқын өткізгіштердің өндірісін арттырады, AR көзілдіріктерінің тұтыну нарығына шығуы үшін берік негіз қалады.

Екінші жағынан, AR көзілдіріктеріне арналған негізгі дисплей технологиясы ретінде дифракциялық толқын өткізгіштер үлкен әлеуетті ұсынады, бірақ сонымен бірге айтарлықтай күрделілікті ұсынады. Дифракция тиімділігін оңтайландыру дифракция тәртібін, түсу бұрыштарын және толқын ұзындығын қоса алғанда, көптеген аспектілерден қарастырылуы керек.

Технологиядағы үздіксіз жетістіктермен және өнімділікті одан әрі оңтайландырумен AR дифракциялық толқынбағдарламалары AR көзілдіріктерін үй шаруашылығына әкелуге дайын, бұл метаверс дәуірінде жарқырайды.