Pandu Gelombang Optik: 'Laluan Cahaya' daripada Cip Fotonik ke Cermin Mata AR

Dalam cermin mata AR, pandu gelombang optik ialah komponen optik teras yang menentukan pengalaman paparan. Ia menyalurkan imej yang dijana oleh enjin optik ke dalam kanta dan menghalakannya ke arah mata pengguna melalui struktur tertentu, sambil mengekalkan ketelusan kanta untuk membolehkan pengguna melihat kedua-dua dunia nyata dan maklumat maya secara serentak.

Pandu gelombang optik tidak berasal dengan kemunculan AR. Dalam bidang seperti cip fotonik dan komunikasi optik, peranti seperti modulator, pengesan dan pemisah rasuk juga bergantung pada pandu gelombang untuk menghantar isyarat optik. Jika logam saling bersambung berfungsi sebagai laluan untuk isyarat elektrik, pandu gelombang optik bertindak sebagai saluran untuk isyarat optik — perbezaannya ialah cahaya bergantung pada perbezaan indeks biasan dan sempadan geometri untuk mengekang laluan perambatannya.

Tidak kira sama ada ia adalah geometri, parut pelepasan permukaan atau pandu gelombang holografik volum, objektif pandu gelombang optik yang digunakan dalam cermin mata AR adalah untuk mengarahkan cahaya ke mata manusia di sepanjang laluan yang direka bentuk.

Intipati pandu gelombang: mereka bentuk laluan terkawal untuk cahaya

Fungsi teras pandu gelombang optik adalah untuk mengehadkan perambatan cahaya ke kawasan tertentu.

Dalam cip fotonik, pandu gelombang boleh dibuat daripada bahan seperti silikon, silikon nitrida, InP, atau litium niobate; dalam cermin mata AR, pandu gelombang optik biasanya terdiri daripada kaca atau resin indeks biasan tinggi, walaupun dalam beberapa tahun kebelakangan ini, silikon karbida (SiC) juga telah mula digunakan sebagai bahan substrat untuk pandu gelombang optik difraktif, menggunakan grating atau struktur reflektif untuk mencapai gandingan masuk dan gandingan keluar cahaya.

Pandu gelombang mengawal bukan sahaja laluan optik tetapi juga pengedaran medan cahaya—menentukan tempat cahaya merambat, cara ia diubah hala dan terbelah, dan bagaimana ia akhirnya memasuki mata manusia.

Pandu gelombang yang sangat baik mesti pada masa yang sama mencapai kehilangan yang rendah, kecekapan gandingan yang tinggi, dan keseragaman yang baik, sementara juga sesuai untuk pengeluaran besar-besaran.

Cara Pandu Gelombang Menghalang Cahaya: Jumlah Pantulan Dalaman dan Mod

Pandu gelombang optik mengehadkan perambatan cahaya dengan cara pantulan dalaman total.

Apabila cahaya bergerak dari bahan indeks biasan tinggi ke arah bahan indeks biasan rendah dan sudut tuju melebihi sudut genting, cahaya dipantulkan semula sepenuhnya ke dalam bahan indeks biasan tinggi. Fenomena ini membentuk asas pandu gelombang.

Kontras indeks biasan yang lebih besar menghasilkan kurungan medan optik yang lebih kuat, membolehkan pandu gelombang yang lebih kecil. Walau bagaimanapun, kurungan yang terlalu kuat juga menjadikan pandu gelombang lebih sensitif terhadap ketidaksempurnaan fabrikasi dan meningkatkan kehilangan taburan.

Perlu diingat bahawa indeks biasan secara langsung menentukan had atas medan pandangan (FOV) untuk cermin mata AR. Meningkatkan indeks biasan bahan pandu gelombang mengembangkan julat sudut perambatan cahaya yang disokong, dengan itu mewujudkan potensi untuk reka bentuk dengan bidang pandangan yang lebih luas. Sebagai contoh, bahan indeks biasan tinggi secara amnya lebih kondusif untuk mencapai sistem pandu gelombang dengan FOV yang besar; ini adalah sebab utama mengapa silikon karbida (SiC, dengan indeks biasan kira-kira 2.6) telah menarik perhatian yang ketara.

Cahaya tidak merambat sewenang-wenangnya dalam pandu gelombang. Ringkasnya, bukan setiap pancaran cahaya yang memasuki pandu gelombang boleh merambat secara stabil; hanya taburan medan elektromagnet yang memenuhi syarat sempadan tertentu boleh bergerak dalam jarak yang jauh. Keadaan stabil ini dikenali sebagai 'mod.' Mod perambatan yang berbeza mempunyai taburan medan elektrik dan pemalar perambatan yang berbeza. Memandangkan isu crosstalk atau keseragaman boleh timbul antara pelbagai mod, kawalan mod merupakan faktor kritikal dalam reka bentuk pandu gelombang AR.

Dalam paparan AR, kawalan mod secara langsung mempengaruhi keseragaman kecerahan dan prestasi warna.

Di manakah kehilangan optik berlaku dalam pandu gelombang

Pandu gelombang sebenar tidak dapat dielakkan mempamerkan kerugian, terutamanya daripada empat jenis:

1. Penyerapan bahan: Kehilangan tenaga ringan yang disebabkan oleh ciri-ciri penyerapan dan kekotoran sedia ada bahan.

2. Kehilangan taburan: Penyerakan cahaya disebabkan oleh kekasaran dinding sisi dan sisihan dimensi semasa proses pembuatan. Parameter fabrikasi mikro dan nano—seperti tempoh parut, kedalaman goresan dan kekasaran dinding sisi dalam pandu gelombang AR—secara langsung mempengaruhi kecekapan difraksi, keseragaman dan prestasi warna.

3. Kehilangan lenturan: Apabila jejari lentur terlalu kecil, sesetengah cahaya memancar ke luar.

4. Kehilangan gandingan: Kerugian berlaku disebabkan oleh ketidakpadanan dalam saiz mod, sudut atau keadaan polarisasi apabila cahaya beralih dari satu struktur ke struktur lain (cth, enjin optik kepada pandu gelombang, atau pandu gelombang kepada struktur gandingan keluar).

Salah satu kunci untuk meningkatkan kecekapan optik cermin mata AR ialah meminimumkan kerugian sepanjang laluan optik keseluruhan: daripada enjin ringan melalui incoupling, propagation, dan outcoupling, ke mata manusia.

Memudahkan kemasukan dan keluar cahaya yang lancar ke dalam dan keluar dari pandu gelombang: incoupling dan outcoupling

Dalam pandu gelombang optik AR, gandingan masuk dan gandingan keluar cahaya ialah teknologi teras:

1. Pandu gelombang optik difraktif menggunakan jeriji untuk mengubah arah cahaya.

2. Pandu gelombang optik geometri menggunakan struktur reflektif untuk mengubah hala laluan optik.

3. Pandu gelombang optik holografik volum menggunakan elemen holografik untuk mengawal perambatan cahaya.

Intipati teknologi ini terletak pada membolehkan penukaran mod yang sangat cekap untuk cahaya.

Kriteria Penilaian Kejuruteraan Pandu Gelombang

Menilai daya maju pandu gelombang memerlukan penilaian menyeluruh terhadap faktor-faktor berikut:

1. Kehilangan perambatan: Pengecilan kuasa optik per unit panjang.

2. Kecekapan gandingan: Kecekapan cahaya masuk dan keluar dari sistem, yang secara langsung memberi kesan kepada kecerahan yang dilihat oleh mata.

3. Kehilangan lentur: Penilaian kestabilan optik struktur pandu gelombang dalam reka bentuk yang menampilkan profil nipis atau permukaan melengkung.

4. Kawalan mod dan polarisasi: Faktor yang mempengaruhi keseragaman paparan, prestasi warna dan kestabilan sistem, yang mesti dipertimbangkan bersama dengan reka bentuk pandu gelombang.

5. Toleransi pembuatan: Kebolehkawalan faktor seperti ralat litografi, sisihan goresan dan variasi dalam ketebalan filem.

Kesimpulannya

Sama ada dalam cip fotonik atau paparan AR, fungsi pandu gelombang optik adalah untuk mengawal laluan perambatan cahaya.

Dengan evolusi berterusan pelbagai pendekatan teknikal—seperti pandu gelombang optik geometri, grating pelega permukaan dan pandu gelombang holografik volum—dan peralihan bahan baharu seperti silikon karbida daripada makmal kepada aplikasi kejuruteraan, teknologi pandu gelombang optik memasuki fasa baharu persaingan. Fasa ini bergerak melangkaui usaha tunggal prestasi optik kepada pertandingan komprehensif yang melibatkan prestasi, kos, hasil dan keupayaan pembuatan besar-besaran.

Sumber: Disusun oleh Pingsheng Semiconductor dan Aibang Zhizao