Bagaimana Teknologi Pandu Gelombang Difraktif Berfungsi dalam Paparan Cermin Mata AR

Dalam artikel kami sebelum ini, 'Apakah AR Diffractive Waveguide?', kami menerangkan prinsip asas pandu gelombang difraktif dan menyerlahkan perbezaan antara pandu gelombang parut pelepasan permukaan dan pandu gelombang parut holografik volum. Hari ini, kita akan mendalami fungsi teras dan arah pengoptimuman pandu gelombang difraksi, membincangkan sebab pandu gelombang difraktif berdasarkan jeriji pelepasan permukaan muncul sebagai teknologi paparan arus perdana untuk cermin mata AR.

01 Fungsi Teras Pandu Gelombang Difraktif

1. Pemindahan Isometrik Imej

Daripada artikel kami yang terdahulu, kami tahu bahawa untuk pandu gelombang difraksi untuk mengarahkan cahaya yang dipancarkan daripada sistem unjuran mikro (enjin optik) ke dalam mata manusia, ia mesti menjalani proses gandingan masuk dan gandingan keluar. Khususnya, cahaya yang dipancarkan oleh enjin optik memasuki pandu gelombang rata melalui jeriji gandingan, merambat di dalamnya melalui pantulan dalaman total, dan akhirnya dihantar ke mata oleh parut gandingan keluar.

Aspek yang paling penting dalam proses ini ialah refleksi dalaman menyeluruh. Tetapi apakah sebenarnya refleksi dalaman total?

Jumlah pantulan dalaman berlaku apabila cahaya bergerak dari medium dengan indeks biasan yang lebih tinggi kepada satu dengan indeks biasan yang lebih rendah, dan sudut tuju lebih besar daripada atau sama dengan sudut genting. Apabila syarat untuk jumlah pantulan dalaman dipenuhi, cahaya akan terus merambat melalui pandu gelombang rata dengan pantulan tanpa dipancarkan keluar, dengan itu membenarkan arah cahaya diubah. Fenomena semula jadi yang terkenal hasil daripada pantulan dalaman total ialah fatamorgana.

Biasanya, cermin mata AR mengeluarkan imej menggunakan enjin optik. Walau bagaimanapun, meletakkan enjin optik terus pada kanta akan menghalang pandangan pengguna dan tidak menarik secara visual. Selain itu, bergantung semata-mata pada enjin optik tidak akan mencapai kesan yang diingini untuk menggabungkan imej maya dan sebenar.

Dengan memanfaatkan prinsip pantulan dalaman total, pandu gelombang difraktif boleh melakukan pemindahan isometrik imej yang ditayangkan oleh enjin optik, membolehkan enjin optik diletakkan di bahagian atas atau sisi cermin mata. Pendekatan ini bukan sahaja mengelak daripada menghalang garis penglihatan pengguna tetapi juga, disebabkan oleh kadar penghantaran cahaya yang tinggi dan profil nipis pandu gelombang difraksi, membawa cermin mata AR lebih dekat dalam penampilan kepada cermin mata biasa sambil mencapai kesan yang diingini dari penyepaduan maya-sebenar.

Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa pandu gelombang difraktif bertanggungjawab semata-mata untuk memindahkan imej ke mata dan tidak menjejaskan kandungan imej itu sendiri, yang bermaksud ia tidak mempunyai keupayaan untuk membesarkan atau mengurangkan saiz imej.

2. Peluasan Murid Dua Dimensi

Penyelesaian paparan optik standard biasanya tidak mempunyai keupayaan pengembangan murid, mengehadkan penonton untuk melihat imej hanya dalam julat saiz murid keluar enjin optik (iaitu, julat pergerakan mata). Contohnya, jika murid keluar enjin optik berukuran φ5mm, pengguna hanya boleh melihat imej dalam julat φ5mm. Ini sama seperti melihat dunia melalui lubang intip, yang mengurangkan pengalaman rendaman dan visual dengan ketara.

Untuk menangani isu ini, pandu gelombang difraktif boleh mencapai pengembangan murid dua dimensi, membesarkan murid keluar sambil mengekalkan saiz yang padat dan bidang pandangan yang luas. Ini secara berkesan meningkatkan julat pergerakan mata dalam kedua-dua arah, memberikan deria rendaman yang lebih tinggi dan pengalaman visual yang lebih baik, sambil juga menampung jarak antara murid yang berbeza. Ini mewakili fungsi teras kedua pandu gelombang difraktif.

Secara umumnya terdapat dua pendekatan untuk melaksanakan pengembangan murid dua dimensi. Yang pertama melibatkan penggunaan tiga parut satu dimensi (iaitu, parut gandingan, parut lentur dan parut keluar). Pendekatan kedua menggunakan satu parut satu dimensi (parut gandingan) dan satu parut dua dimensi (parut keluar gandingan).

Dalam pendekatan pertama, cahaya yang dipancarkan daripada enjin optik digandingkan ke dalam pandu gelombang melalui parut gandingan. Cahaya kemudiannya mengalami pantulan dalaman total dan mengenai jeriji lentur, di mana sebahagian cahaya dihalakan semula ke jeriji gandingan keluar, manakala cahaya yang tinggal terus merambat ke hadapan melalui pantulan. Cahaya ini sekali lagi akan terkena parut lentur, dan bahagian lain akan dihalakan semula ke parut gandingan keluar. Proses ini diulang untuk mencapai pengembangan murid satu dimensi.

Akhir sekali, cahaya yang mencapai parut gandingan akan mempunyai sebahagian daripadanya difraksi ke dalam mata, manakala cahaya selebihnya terus merambat ke hadapan melalui pantulan, sekali lagi berinteraksi dengan parut gandingan keluar. Proses ini menghasilkan arah lain pengembangan murid satu dimensi. Apabila kedua-dua pengembangan satu dimensi ini digabungkan, ia mewujudkan pengembangan murid dua dimensi.

Dalam pendekatan kedua, proses juga bermula dengan menggabungkan cahaya yang dipancarkan daripada enjin optik ke dalam pandu gelombang menggunakan parut gandingan. Cahaya kemudiannya mengalami pantulan dalaman total dan mengenai parut gandingan dua dimensi. Pada ketika ini, sebahagian daripada cahaya dibezakan ke dalam mata, manakala cahaya yang tinggal dibahagikan dan terus merambat ke hadapan melalui pantulan dalam kedua-dua arah mendatar dan menegak.

Cahaya kemudiannya sekali lagi akan berinteraksi dengan gandingan keluar parut, di mana bahagian lain difraksi ke dalam mata. Proses ini diulang, dengan berkesan mencapai pengembangan murid dua dimensi.

Di atas menerangkan proses fizikal skema pengembangan murid dua dimensi. Sebagai perbandingan, skema pertama adalah agak mudah dari segi reka bentuk dan fabrikasi pandu gelombang difraktif, tetapi ia menduduki lebih banyak kawasan kanta keseluruhan. Skim kedua pula memerlukan penggunaan jeriji dua dimensi, yang lebih kompleks untuk mereka bentuk dan mengilang, menjadikannya lebih mencabar untuk dilaksanakan. Walau bagaimanapun, pendekatan ini menghasilkan struktur keseluruhan yang lebih padat, membolehkan pengurangan dalam kawasan kanta.

Dengan menggunakan pengembangan murid dua dimensi, kami bukan sahaja dapat meningkatkan julat pergerakan mata dan meningkatkan rendaman pengguna tetapi juga mengurangkan berat dan dimensi enjin optik dalam kedua-dua arah mendatar dan menegak, menjadikan cermin mata AR lebih ringan dan lebih mudah disesuaikan.

Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa sementara pengembangan murid dua dimensi mereplikasi imej berbilang kali, kita sebenarnya melihat hanya satu imej, bukan berbilang imej. Ini kerana imej yang dipancarkan oleh gandingan keluar grating bukanlah imej sebenar tetapi maya. Selain itu, otak manusia cenderung untuk menipu dirinya sendiri dengan mengikuti garis lanjutan penglihatan pancaran cahaya yang dilihatnya. Pancaran cahaya yang dijana oleh pengembangan murid sepadan dengan sudut yang berbeza bagi imej maya yang sama, jadi tanpa mengira berapa banyak kedudukan berbeza pancaran cahaya yang diperluaskan yang dilihat oleh mata, mereka akan menjejak kembali ke imej yang sama berdasarkan garis penglihatan lanjutan.

Sebagai contoh, ia sama seperti memerhatikan lilin melalui cermin satah. Cahaya dari lilin memantulkan cermin dan memasuki mata, yang kemudiannya mencari imej maya berdasarkan garis lanjutan sinaran cahaya. Tiga sinar cahaya yang digambarkan dalam rajah boleh difahami sebagai pancaran cahaya yang berkembang pada tiga kedudukan berbeza dalam pandu gelombang difraktif. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, apabila kita melihat ketiga-tiga pancaran cahaya ini secara serentak, mereka semua menunjuk ke imej yang sama.

Selain itu, terdapat salah tanggapan umum bahawa pandu gelombang difraktif mempunyai kecekapan tenaga yang rendah. Realitinya, persepsi ini timbul semasa proses mencapai pengembangan murid dua dimensi, di mana pandu gelombang difraktif perlu membahagikan tenaga cahaya kepada banyak bahagian dan mengagihkannya secara sama rata pada setiap kedudukan murid keluar. Akibatnya, tenaga per unit luas berkurangan secara semula jadi. Walau bagaimanapun, jika kita mengumpulkan semua sinar cahaya dari pandu gelombang difraktif ke dalam mata, kita akan mendapati bahawa kecekapan tenaganya sebenarnya tidak rendah.

Oleh itu, sebab utama kecekapan tenaga yang rendah bagi pandu gelombang difraktif adalah pengembangan murid. Walau bagaimanapun, pengembangan adalah ciri penting pandu gelombang difraktif, dan seperti yang dinyatakan sebelum ini, ia menawarkan banyak kelebihan. Oleh itu, adalah penting untuk memaksimumkan kecekapan tenaga sambil mengekalkan tahap pengembangan murid tertentu.

02 Tiga Arah Pengoptimuman Utama untuk Pandu Gelombang Difraktif

1. Mengoptimumkan Kecekapan Pembelauan Cahaya

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, ramai orang menganggap bahawa pandu gelombang difraktif mempunyai kecekapan tenaga yang rendah. Untuk menangani isu ini, adalah perlu untuk meningkatkan kecekapan tenaga dengan mengoptimumkan kecekapan pembelauan cahaya sambil mengekalkan tahap pengembangan murid tertentu.

Memandangkan saiz ciri jeriji skala nano adalah setanding dengan panjang gelombang cahaya, adalah penting untuk merawat cahaya bukan sebagai sinar biasa tetapi sebagai gelombang elektromagnet semasa perambatan. Apabila cahaya mengenai jeriji, ia terbahagi kepada beberapa arah yang berbeza (perintah pembelauan), dan tidak dapat dielakkan, sebahagian daripada tenaga cahaya hilang dalam proses itu.

Untuk memastikan bahawa majoriti tenaga cahaya digandingkan ke dalam pandu gelombang difraksi, kami biasanya memilih susunan pembelauan bukan sifar tertentu (yang memenuhi jumlah keadaan pantulan dalaman) sebagai susunan kerja pandu gelombang difraktif. Dengan mengawal parameter dengan tepat seperti tempoh parut, kitaran tugas, kedalaman alur dan sudut dinding sisi, kami boleh mengoptimumkan kecekapan pembelauan cahaya, menumpukan sebahagian besar tenaga cahaya ke dalam susunan kerja ini. Ini, seterusnya, meningkatkan kecekapan tenaga dan membolehkan peningkatan kecerahan imej.

2. Mengoptimumkan Kecekapan Difraksi untuk Sudut Insiden Berbeza

Satu lagi faktor penting yang perlu dipertimbangkan semasa mengoptimumkan parut ialah kesan sudut kejadian cahaya pada kecekapan pembelauan.

Memandangkan imej yang ditayangkan oleh enjin optik membentuk permukaan yang ringan, cahaya dari kedudukan berbeza pada permukaan ini memasuki pandu gelombang difraktif pada sudut yang berbeza-beza. Untuk pandu gelombang difraksi, sudut kejadian yang berbeza menghasilkan kecekapan pembelauan yang berbeza, yang membawa kepada ketidakkonsistenan dalam kecerahan keseluruhan imej.

Oleh itu, sebagai tambahan kepada mengoptimumkan kecekapan pembelauan untuk susunan pembelauan tertentu, ia juga penting untuk mengoptimumkan kecekapan pembelauan untuk cahaya pada pelbagai sudut kejadian untuk memastikan kecerahan seragam.

3. Mengoptimumkan Kecekapan Difraksi untuk Panjang Gelombang Berbeza

Warna cahaya yang berbeza mempunyai panjang gelombang yang berbeza-beza, yang menjejaskan kecekapan pembelauannya. Selain itu, panjang gelombang yang berbeza menghasilkan sudut pembelauan yang berbeza, bermakna semasa proses pengembangan murid, kekerapan interaksi warna cahaya yang berbeza dengan parut gandingan juga akan berbeza-beza. Kedua-dua faktor ini menjadikannya mencabar bagi setiap warna cahaya untuk memasuki mata dengan perkadaran tenaga yang sama, mengakibatkan masalah dengan keseragaman warna. Oleh itu, mencapai keseragaman warna yang baik dalam imej menggunakan pandu gelombang difraktif satu lapisan adalah sukar.

Untuk memastikan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza keluar dengan perkadaran tenaga yang sama, susunan berbilang lapisan (dua lapisan atau lebih) pandu gelombang difraksi biasanya digunakan. Setiap lapisan pandu gelombang difraktif dioptimumkan untuk mengawal dan meningkatkan tenaga bagi julat panjang gelombang tertentu sambil juga menyekat cakap silang antara lapisan. Pendekatan ini memastikan bahawa cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza akhirnya memasuki mata dengan perkadaran tenaga yang sama, meningkatkan keseragaman warna dan memaparkan imej yang normal dan bersemangat.

03 Ringkasan

Di satu pihak, pandu gelombang difraktif mempunyai dua fungsi teras: pemindahan isometrik imej dan pengembangan murid dua dimensi. Berdasarkan fungsi ini, ia membolehkan cermin mata AR menjadi ringan dan langsing sambil menampung julat pengguna yang lebih luas, memberikan rasa rendaman yang kuat dan pengalaman visual yang sangat baik. Selain itu, penyepaduan proses semikonduktor meningkatkan kebolehkilangan pandu gelombang difraktif, meletakkan asas yang kukuh untuk cermin mata AR untuk memasuki pasaran pengguna.

Sebaliknya, sebagai teknologi paparan arus perdana untuk cermin mata AR, pandu gelombang difraktif menawarkan potensi yang besar tetapi juga memberikan kerumitan yang ketara. Pengoptimuman kecekapan pembelauan mesti dipertimbangkan dari pelbagai aspek, termasuk susunan pembelauan, sudut kejadian dan panjang gelombang.

Dengan kemajuan berterusan dalam teknologi dan pengoptimuman prestasi selanjutnya, pandu gelombang difraktif AR bersedia untuk membawa cermin mata AR ke dalam isi rumah, bersinar terang dalam era metaverse.