Pendekatan Baru Untuk Pandu Gelombang AR: Pengezonan Berasaskan Polarisasi Meningkatkan Keseragaman Kecerahan Prototaip Kepada 70%

Pandu gelombang dalam cermin mata AR memerlukan margin tertentu untuk pergerakan mata—konsep yang dikenali sebagai 'kotak mata.' Walau bagaimanapun, kotak mata yang lebih besar bermakna cahaya yang ditayangkan diedarkan ke kawasan yang lebih luas, manakala murid pengguna menangkap hanya sebahagian kecil daripadanya. Hanya meningkatkan kuasa enjin ringan akan membawa kepada penggunaan kuasa yang lebih tinggi dan beban haba yang lebih besar. Adakah mungkin untuk mengekalkan julat kotak mata berfungsi sambil menerangi hanya kawasan tertentu yang sebenarnya diperlukan pada bila-bila masa?

Kertas kerja oleh Nilsen et al., diterbitkan dalam Advanced Photonics Research pada 2026, mencadangkan pendekatan khusus: membahagikan kawasan pengekstrakan keluar-murid kepada zon yang bertindak balas kepada keadaan polarisasi bulat yang berbeza, dan menggunakan polarisasi input untuk memilih zon yang aktif. Daripada menerangi keseluruhan kotak mata besar secara serentak, kaedah ini menggunakan 'kotak mata yang boleh ditukar dan lebih kecil' untuk meliputi julat yang lebih besar dan boleh digunakan.

Di manakah kerugian berlaku dalam pengembangan keluar-murid tradisional?

Dalam sistem paparan mata dekat (NED), pandu gelombang biasanya menerima imej daripada enjin optik melalui pengganding input. Cahaya kemudian merambat melalui pandu gelombang melalui pantulan dalaman total (TIR) ​​sebelum diarahkan ke mata pengguna oleh pengganding keluaran. Untuk memastikan medan pandangan penuh kekal kelihatan walaupun mata beralih kedudukan, pengganding keluaran mesti meniru murid keluar merentasi kawasan yang lebih besar. Cabarannya ialah setiap kali pancaran cahaya berinteraksi dengan pengganding keluaran, sebahagian daripada tenaganya boleh diekstrak. Akibatnya, apabila cahaya merambat, lebih sedikit tenaga kekal tersedia untuk bahagian pengganding keluaran berikutnya, yang boleh membawa kepada kecerunan kecerahan yang ketara merentasi kotak mata.

Kertas kerja ini menyiasat grating volum polarisasi (PVG) yang digunakan sebagai pengganding keluar. PVG mempamerkan selektiviti berdasarkan tangan cahaya terkutub bulat. Penulis membahagikan kawasan gandingan keluar tunggal—merangkumi keseluruhan kotak mata—kepada dua segmen yang sama panjang: satu responsif kepada cahaya terkutub bulatan kiri (LCP) dan satu lagi kepada cahaya terkutub bulatan kanan (RCP). Dengan menukar polarisasi input, cahaya diarahkan sepanjang laluan gandingan masuk dan gandingan keluar tertentu, menerangi hanya separuh wilayah yang dipilih.

Adalah penting untuk membezakan antara dua konsep yang mudah dikelirukan: jumlah julat yang boleh ditangani dan kawasan yang diterangi pada bila-bila masa. Walaupun kedua-dua segmen digabungkan meliputi panjang asal kotak mata, hanya satu segmen yang aktif pada satu masa. Untuk produk praktikal, membolehkan kawasan bercahaya menjejaki murid memerlukan teknologi penjejakan mata yang digabungkan dengan pensuisan polarisasi dikawal secara elektronik. Prototaip yang dibentangkan dalam kertas itu tidak menggabungkan sistem gelung tertutup sedemikian; sebaliknya, ia bergantung pada polarizer linear dan plat suku gelombang untuk pensuisan polarisasi manual.

Bagaimana untuk mengesahkan kertas penyelidikan?

Penulis mula-mula membandingkan reka bentuk outcoupler penuh dengan reka bentuk dwi-zon menggunakan OpticStudio. Simulasi awal menggunakan rasuk segi empat berkolimasi 550 nm, pandu gelombang 55 mm panjang dengan 1 mm tebal (indeks biasan 1.8), dan pengganding dengan tempoh 400 nm; jumlah kawasan pengganding dwi zon adalah sama dengan versi penuh. Keseragaman kotak mata untuk pancaran medan-pandangan tengah bertambah baik daripada 35.8% kepada 69.4%. Dalam kertas ini, keseragaman ditakrifkan sebagai nisbah keamatan minimum kepada keamatan maksimum dalam kawasan sampel, dinyatakan sebagai peratusan; ia tidak mewakili kecekapan optik keseluruhan sistem.

Selepas itu, penulis membuat prototaip dwi-zon dan membandingkannya dengan outcoupler panjang penuh 15 mm panjang. Reka bentuk dwi-zon terdiri daripada dua bahagian sepanjang 7.5 mm, setiap satu bertindak balas kepada polarisasi bulat yang bertentangan. Ujian dengan laser 532 nm pada kejadian biasa menunjukkan bahawa, untuk sampel dengan kecekapan pembelauan yang lebih rendah, keseragaman bertambah baik daripada 44.0% kepada 70.1%, dengan jumlah kuasa masing-masing 9.11 μW dan 9.85 μW, diukur pada apertur kira-kira 6 mm × 15 mm. Walaupun keputusan ini menyokong dakwaan bahawa 'pembahagian meningkatkan keseragaman', jumlah nilai kuasa untuk kedua-dua jenis sampel hanyalah setanding; oleh itu, adalah tidak tepat untuk menyatakan bahawa penggandaan kecerahan telah disahkan secara eksperimen.

Penulis juga melaraskan komposisi bahan hablur cecair, meningkatkan kecekapan pembelauan jeriji gandingan daripada kira-kira 60.5% kepada 74%. Bagi sampel panjang penuh dan dwi-zon yang sepadan, nilai keseragaman masing-masing adalah 15.9% dan 38.8%, manakala jumlah kuasa yang diukur dalam kotak mata ialah 10.52 μW dan 11.01 μW. Meningkatkan nisbah gandingan menyebabkan sebahagian besar cahaya keluar dari pandu gelombang lebih awal; akibatnya, peningkatan jumlah kuasa boleh bertepatan dengan penurunan keseragaman spatial. Pendekatan dwi-zon mengurangkan pertukaran ini, walaupun ia tidak menghapuskannya sepenuhnya. Kertas kerja ini juga membentangkan reka bentuk dan simulasi sistem pengembangan murid keluar empat zon dua dimensi; dalam model berasingan yang menggunakan cahaya kolimat 532 nm, keseragaman bertambah baik daripada 19.2% kepada 51.2%. Oleh kerana konfigurasi empat zon belum disahkan secara eksperimen, angka ini tidak boleh diletakkan pada tahap pembuktian yang sama seperti hasil yang diukur daripada prototaip dua zon yang disebutkan di atas.

Kecerahan dan Kotak Mata: Melangkaui Faktor Pembesaran Tunggal

Pengarang menggunakan model satu dimensi yang dipermudahkan untuk menggambarkan potensi: dengan mengandaikan kecekapan gandingan keluar 20% bagi setiap interaksi—dengan 10 interaksi berlaku dalam rantau gandingan keluar panjang penuh berbanding 5 dalam rantau separuh panjang—keseragaman yang dikira adalah kira-kira 41% untuk rantau separuh panjang dan 13% untuk rantau panjang penuh. Dengan meningkatkan lagi kecekapan gandingan keluar bagi kawasan separuh panjang, secara teorinya adalah mungkin untuk mengekstrak jumlah kuasa yang setanding dengan wilayah panjang penuh dari kawasan bercahaya yang lebih kecil, menghasilkan keamatan cahaya tempatan hampir dua kali lebih tinggi.

Walau bagaimanapun, peningkatan 'dua kali ganda' ini mewakili had atas yang diperoleh daripada model ideal, dan bukannya keuntungan yang diukur secara empirik dalam kecerahan untuk prototaip fizikal. Pada hakikatnya, kecekapan PVG (Polarization Volume Grating) berbeza dengan panjang gelombang, sudut dan keadaan polarisasi; tambahan pula, hanyut polarisasi semasa pembiakan dan kehilangan pada antara muka antara lapisan juga boleh mengubah hasilnya. Lebih penting lagi, jika kawasan yang lebih kecil dipilih, sistem mesti bertukar secara dinamik jika mata pengguna beralih ke arah sempadan atau ke kawasan lain; jika kedua-dua kawasan diterangi secara serentak, kuasa yang ada mesti diagihkan semula di antara mereka. Akibatnya, dakwaan tentang 'kotak mata yang diperluaskan' dan kecerahan 'dipertingkatkan'—seperti yang dicadangkan dalam tajuk artikel—harus difahami sebagai dua kemungkinan reka bentuk berbeza yang ditawarkan oleh seni bina, dan bukannya faedah yang boleh dicapai secara serentak dan tanpa syarat.

Apa yang masih diperlukan untuk menukar ini menjadi sepasang cermin mata?

Bagi pereka bentuk sistem, nilai kertas ini bukan sahaja terletak pada penggunaan jenis parut yang berbeza, tetapi dalam mengalihkan pendekatan kepada pengembangan keluar murid: beralih daripada 'menerangi keseluruhan kawasan secara pasif' kepada 'mengagihkan cahaya berdasarkan kedudukan murid.' Ini juga memperkenalkan cabaran kejuruteraan baharu:

1. Penjejakan mata gelung tertutup

Ia adalah perlu untuk mengesahkan ketepatan penjejakan, kependaman yang terlibat dalam penukaran polarisasi, dan kesinambungan imej semasa mata bergerak merentasi zon berbeza. Prototaip yang dibentangkan dalam kertas kerja belum lagi mengesahkan sistem gelung tertutup ini.

2. Sempadan dan Crosstalk

Sempadan antara zon mungkin memotong medan pandangan (FOV), manakala laluan gandingan yang tidak diingini boleh membawa kepada imej 'hantu' (cahaya sesat) muncul di kawasan yang tidak dipilih. Walaupun kertas itu membentangkan gambar imej hantu ini, ia tidak memberikan belanjawan toleransi yang boleh digunakan secara langsung untuk reka bentuk pengeluaran besar-besaran.

3. Bidang Pandangan Penuh Warna dan Luas

Percubaan adalah berdasarkan persediaan monokromatik 532 nm. Mencapai prestasi penuh warna memerlukan menangani ciri serakan dan tindak balas sudut grating volum polarisasi (PVG) dan deflektor fasa geometri yang digunakan dalam reka bentuk empat zon. Penulis juga ambil perhatian bahawa meningkatkan bilangan zon boleh mengakibatkan pemotongan FOV atau crosstalk optik.

4. Fabrikasi dan Penjajaran Berbilang Lapisan

Prototaip dwi-zon terdiri daripada dua pandu gelombang dengan tindak balas polarisasi yang berbeza, terikat bersama dengan jurang udara di antaranya. Apabila bilangan zon bertambah, hubungan ruang antara penyambung, penjodoh lipat dan penjodoh menjadi jauh lebih kompleks; sebarang salah jajaran boleh menyebabkan anjakan relatif antara imej yang dihasilkan oleh zon berbeza.

Oleh itu, kesimpulan yang boleh dipercayai daripada kerja ini ialah, di bawah keadaan monokromatik tertentu, konfigurasi prototaip, dan parameter pengukuran yang dibentangkan dalam kertas, pengezonan polarisasi-selektif dengan ketara meningkatkan keseragaman kecerahan kotak mata; tambahan pula, skim empat zon, dua dimensi menawarkan potensi pengembangan yang lebih besar. Jika objektifnya ialah sistem AR berwarna penuh boleh pakai, maka faktor tambahan—seperti kecekapan optik, medan pandangan, kependaman gerakan-ke-foton, crosstalk dan toleransi pemasangan—mesti juga dinilai dalam rangka kerja spesifikasi peringkat sistem yang komprehensif.

Apakah maksud ini untuk cermin mata berkuasa AI yang ringan?

Nilai pendekatan 'gandingan keluar zon' ini terletak terutamanya dalam menawarkan pilihan kejuruteraan baharu untuk mengedarkan keluaran optik dalam pandu gelombang, dan bukannya menyediakan penyelesaian warna penuh sedia untuk dikeluarkan. Di SOTECH, apabila menilai teknologi paparan dekat mata, kami juga menilai keupayaan mereka untuk menyampaikan faedah ketara dalam senario penggunaan dunia sebenar—seperti kebolehbacaan di bawah cahaya luar yang terang, penggunaan kuasa dan penjanaan haba semasa haus lanjutan, keseragaman kotak mata dan keseimbangan yang halus antara berat keseluruhan peranti dan keselesaan pemakai.

Untuk cermin mata AI ringan seperti SOTECH G55, tumpuan semasa adalah pada sinergi antara optik pandu gelombang matang, paparan LED Mikro dan reka bentuk struktur bersepadu. Ini memastikan bahawa maklumat—seperti sari kata, gesaan navigasi atau teks teleprompter—kekal dan stabil semasa penggunaan harian tanpa menghalang medan pandangan semula jadi pengguna. Memandangkan teknologi seperti penjejakan mata, penukaran polarisasi dan gandingan keluar zon terus matang, pendekatan serupa boleh membantu peranti sedemikian mencapai keseimbangan yang lebih halus antara kecerahan, kecekapan kuasa dan kualiti pengalaman kotak mata.