Van totale interne reflectie tot SiC-golfgeleiders: hoe AR-brillen de knelpunten in de weergaveoptica doorbreken

Een van de belangrijkste technische barrières voor AR-brillen is niet alleen het microdisplay zelf, maar eerder hoe je optische golfgeleiders kunt gebruiken om een ​​hoogwaardige overlay van virtuele beelden op de echte wereld te bereiken binnen transparante lenzen.

Optische golfgeleiders moeten licht van het ene uiteinde naar het andere overbrengen binnen een dikte van slechts enkele millimeters, terwijl ze tegelijkertijd een uniforme lichtopbrengst en nauwkeurige afgifte aan het menselijk oog garanderen. Dit is niet simpelweg een 'verlenging van het scherm', maar een staaltje optische techniek dat nauwkeurige controle over de voortplanting van licht vereist - een proces dat wordt ondersteund door voortdurend onderzoek naar materialen, diffractie, polarisatie en complexe optische algoritmen.

Totale interne reflectie: het fundamentele principe van lichttransmissie in golfgeleiders.

Waarom kan een gewone, transparante vlakke plaat licht van het ene uiteinde naar het andere transporteren zonder dat het weglekt? Het antwoord ligt in een principe dat je terugvindt in natuurkundeboeken op middelbare scholen: Totale Interne Reflectie (TIR).

Wanneer licht zich verplaatst van een medium met een hogere brekingsindex naar een medium met een lagere brekingsindex en de invalshoek de kritische hoek overschrijdt, wordt het licht niet over het grensvlak gebroken; in plaats daarvan ondergaat het totale interne reflectie en wordt het teruggekaatst in het medium met hoge brekingsindex.

AR optische golfgeleiders maken gebruik van dit principe: een door een microdisplay uitgezonden beeldbundel wordt gecollimeerd door een projectiesysteem en komt de golfgeleider binnen via een invoerkoppelingsgebied aan één uiteinde; het plant zich voort in de golfgeleider via totale interne reflectie en wordt uiteindelijk geëxtraheerd via een uitgangskoppelingsstructuur aan het andere uiteinde, waardoor het licht in het oog van de gebruiker wordt gericht. Het verschil in brekingsindex tussen het golfgeleidersubstraat en de omringende lucht beperkt het licht, waardoor het zich kan voortplanten binnen de dunne laag glas of hars.

De totale interne reflectie legt echter een aanzienlijke beperking op: de voortplanting van licht binnen de golfgeleider is niet willekeurig; alleen licht dat aan specifieke hoekvoorwaarden voldoet, kan zich stabiel voortplanten. Als het licht buiten het ondersteunde bereik valt, kan er lekkage optreden. Deze voortplantingsbeperking heeft rechtstreeks invloed op het gezichtsveld (FOV) van AR-brillen, dat wil zeggen het hoekbereik waarover het virtuele beeld het gezichtsveld van de gebruiker bestrijkt. Dit is een fysieke limiet die nauwkeurig kan worden beschreven door een formule. Ervan uitgaande dat een enkele microprojector een lichtbundel in een golfgeleider koppelt - waarbij de brekingsindex van het golfgeleidermedium n is en die van lucht 1 - voldoet het maximaal ondersteunde gezichtsveld voor de enkele microprojector aan het volgende:

Wanneer de brekingsindex (n) 1,5 is, is het theoretische gezichtsveld (FOV) ongeveer 30°; bij n = 1,75 neemt het theoretische bereik toe tot ongeveer 48°; en naarmate n de waarde 2 nadert, kan deze theoretisch verder uitzetten tot ongeveer 60°. Dit is een belangrijke reden waarom het gezichtsveld van AR-brillen over het algemeen al jaren binnen het bereik van 30°–40° blijft: afgezien van de beperkingen van de optische architectuur, is de brekingsindex van het materiaal een kritische factor die de FOV-uitbreiding beïnvloedt.

Er moet echter worden opgemerkt dat het gezichtsveld in een feitelijk AR-systeem niet uitsluitend wordt bepaald door de brekingsindex; het wordt ook beïnvloed door een combinatie van factoren, waaronder de numerieke apertuur (NA) van het microdisplay, het ontwerp van de optische engine, de golfgeleiderstructuur, de pupilexpansiemethode en optische uniformiteit.

Het natuurlijke gezichtsveld (FOV) van een enkel menselijk oog is ongeveer 160° x 130°, met een binoculaire horizontale overlap van meer dan 120°. De huidige AR-systemen, met kijkhoeken van slechts enkele tientallen graden, liggen nog steeds aanzienlijk achter bij het natuurlijke gezichtsveld van het menselijk oog, waardoor er ruimte is voor verbetering in de dekking van virtuele beelden. Bijgevolg zijn het onderzoeken van materialen met hogere brekingsindices, het optimaliseren van golfgeleiderstructuren en het verbeteren van de systeemefficiëntie belangrijke richtingen geworden in de ontwikkeling van AR-optica.

Siliciumcarbide: nieuwe verkenningen naar materialen met een hoge brekingsindex

De afgelopen jaren is siliciumcarbide (SiC) naar voren gekomen als een materiaal met een hoge brekingsindex dat van groot belang is op het gebied van AR-optica. Met een brekingsindex van ongeveer 2,6–2,7 biedt het duidelijke voordelen ten opzichte van traditioneel optisch glas en harsmaterialen. Theoretisch gezien vergroot een hogere brekingsindex het hoekbereik van de lichtvoortplanting ondersteund door de golfgeleider, wat een nieuwe materiaaloptie biedt voor AR-displays met brede gezichtsvelden. Onderzoeks- en validatie-inspanningen met betrekking tot golfgeleideroplossingen op basis van materialen met een hoge brekingsindex vorderen ook gestaag. Het Meta Orion-prototype demonstreerde bijvoorbeeld het potentieel voor het bereiken van brede gezichtsvelden met behulp van SiC-golfgeleiders, wat de belofte van materialen met een hoge brekingsindex in de AR-displaysector benadrukte.

Materialen met een hoge brekingsindex zijn echter niet de enige oplossing voor elke optische uitdaging. Voor diffractieve optische golfgeleiders is een al lang bestaand probleem het optreden van regenboogartefacten: wanneer omgevingslicht (zoals zonlicht) het diffractierooster op het oppervlak van de golfgeleider raakt, ondergaat licht van verschillende golflengten verschillende graden van spreiding, wat resulteert in gekleurde randen die over het gezichtsveld heen worden gelegd. Materialen met een hoge brekingsindex kunnen de lichtvoortplantingskarakteristieken binnen de golfgeleider veranderen en de optimalisatie van diffractieve structuurontwerpen vergemakkelijken, waardoor de impact van regenboogartefacten wordt verzacht.

Een team van Westlake University heeft onderzoeksresultaten gedemonstreerd over diffractieve golfgeleiders op basis van SiC-materialen, waardoor vooruitgang is geboekt op het gebied van miniaturisatie, hoge optische efficiëntie en de beperking van regenboogartefacten, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de ontwikkeling van golfgeleiders met hoge brekingsindex.

Bovendien bezit SiC een hoge thermische geleidbaarheid. Hoewel de thermische geleidbaarheid van ideaal SiC met één kristal ongeveer 490 W/(m·K) kan bereiken – een cijfer dat doorgaans lager is bij gefabriceerde golfgeleiderapparaten vanwege factoren zoals roosterdefecten, verwerkingstechnieken en materiaalstructuur – blijft het aanzienlijk hoger dan dat van conventioneel glas. Dit impliceert dat SiC duidelijke voordelen op het gebied van thermisch beheer biedt voor AR-displaysystemen met hoge helderheid, waardoor de algehele systeemstabiliteit wordt verbeterd.

Een hoge brekingsindex brengt echter ook productieproblemen met zich mee. Vanwege de hoge hardheid van SiC hebben traditionele bewerkingsmethoden moeite om te voldoen aan de eisen voor het vervaardigen van complexe nanostructuren. Toepassingen waarbij diffractieve golfgeleiders betrokken zijn, vereisen processen zoals etsen met hoge precisie om structuren op nanoschaal op het oppervlak van het materiaal te creëren. Momenteel maken SiC-golfgeleiders een transitie door van experimentele validatie naar industrialisatie; kwesties met betrekking tot kosten, verwerkingsefficiëntie en massaproductiemogelijkheden moeten nog worden aangepakt.

Van 'Lijn' naar 'Oppervlak': een dimensionale sprong in de uitbreiding van de eindleerling

Zodra het licht de golfgeleider binnenkomt, is de volgende uitdaging het gelijkmatig uitstralen ervan, terwijl het bereik van de menselijke oogbewegingen wordt bestreken. De uittredepupil van de lichtstraal die door een microdisplay wordt gegenereerd, is doorgaans slechts enkele millimeters groot; Omdat het oog echter op natuurlijke wijze beweegt tijdens gebruik, moet de beperkte uittredepupil worden vergroot om een ​​'oogdoos'-gebied te creëren dat geschikt is om te kijken. Dit proces staat bekend als Exit Pupil Expansion (EPE).

Geometrische optische golfgeleiders: precisieontwerp van spiegelarrays

Geometrische optische golfgeleiders maken gebruik van een reeks ingebedde semi-reflecterende spiegels om de lichtenergie progressief over meerdere reflecterende oppervlakken te verdelen. Wanneer licht elk reflecterend oppervlak tegenkomt, wordt een deel van de energie door de golfgeleider naar het oog van de gebruiker gereflecteerd, terwijl de rest zich binnen de golfgeleider blijft voortplanten. Nauwkeurige controle over de transmissie-reflectieverhoudingen van deze oppervlakken maakt bundeluitbreiding langs een enkele dimensie mogelijk.

Meer geavanceerde tweedimensionale geometrische golfgeleiders bevatten twee sets bundelsplitsende oppervlaktearrays die in verschillende richtingen zijn georiënteerd om lichtuitbreiding in zowel horizontale als verticale dimensies te bereiken; hierdoor wordt de 'oogdoos' in twee dimensies vergroot, waardoor de tolerantie voor de positionering van de headset toeneemt. Bepaalde 2D-array-golfgeleiderontwerpen kunnen een gezichtsveld bereiken van tientallen graden, terwijl de dikte in het millimeterbereik behouden blijft door middel van structurele optimalisatie.

Geometrische golfgeleiders bieden doorgaans superieure beeldkwaliteit en kleurprestaties, samen met een lager risico op regenboogartefacten. Hun meerlaagse semi-reflecterende/semi-transmissieve structuren stellen echter strenge eisen aan de coatingprecisie, structurele uitlijning en productieconsistentie; bijgevolg blijven de procescomplexiteit en de productiekosten gebieden voor voortdurende optimalisatie.

Diffractieve optische golfgeleiders en oppervlakte-reliëfroosters: lichtcontroletechnologie op nanoschaal

Diffractieve optische golfgeleiders gebruiken een geheel andere benadering: in plaats van reflectoren in de golfgeleider in te bedden, worden periodieke structuren op nanoschaal - met name oppervlaktereliëfroosters (SRG's) - vervaardigd op het oppervlak van de golfgeleider of binnen de structuur ervan. SRG's worden doorgaans gemaakt met behulp van processen zoals elektronenbundellithografie, nano-imprintlithografie of ionenbundeletsen om fysieke roosterpatronen op het golfgeleideroppervlak te vormen, met karakteristieke afmetingen variërend van tientallen tot honderden nanometers.

Het kernprincipe van de SRG kan worden beschreven door de roostervergelijking:

Onderstaande figuur toont een schematische weergave van de structuur van een typisch schuin rooster in de OAS-software; door de roosterperiode, de werkcyclus, de diepte en de hellingshoek te ontwerpen, kan de diffractie-efficiëntie voor verschillende golflengten en diffractie-orden nauwkeurig worden geregeld.

In AR-golfgeleiders bestaat een SRG doorgaans uit drie belangrijke functionele gebieden:

· In-koppelingsrooster: verantwoordelijk voor het koppelen van de gecollimeerde lichtbundel uitgezonden door de microprojectiemotor in de golfgeleider, waardoor deze voldoet aan de voorwaarden voor totale interne reflectievoortplanting.

· Draaiend rooster (expansierooster): Verandert de richting van de lichtvoortplanting (meestal door horizontaal voortplantend licht om te leiden naar een verticale richting) om eendimensionale pupiluitbreiding te bereiken.

· Uitkoppelrooster: onttrekt op uniforme wijze licht uit de golfgeleider en stuurt dit naar het oog van de gebruiker om het scherm te produceren.

Deze 'drie-roosters'-architectuur maakt het mogelijk dat diffractieve golfgeleiders tweedimensionale uitbreiding van de uitgangspupil bereiken met een relatief eenvoudige structuur en tegelijkertijd een slank optisch profiel behouden, waardoor het een belangrijke technologische richting wordt voor AR-brillen voor consumenten. Vergeleken met geometrische golfgeleiders bieden diffractieve golfgeleiders voordelen zoals een lichtgewicht, dunne vormfactor en grotere ontwerpflexibiliteit; sommige ontwerpen kunnen diktes bereiken in het millimeter- of zelfs submillimeterbereik.

SRG-ontwerp- en optimalisatietools: Omdat de afmetingen van de roosterstructuren vergelijkbaar zijn met de golflengte van licht, kunnen traditionele geometrische optica-methoden hun optische gedrag niet nauwkeurig beschrijven; daarom zijn elektromagnetische simulatiemethoden zoals Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) vereist. RCWA werkt door het roostergebied in meerdere dunne lagen te verdelen en Fourier-expansie te gebruiken om de elektromagnetische veldverdeling te beschrijven; Vervolgens worden de vergelijkingen van Maxwell opgelost om de efficiëntie en polarisatierespons van verschillende diffractie-orden te berekenen.

Door algoritmen zoals Particle Swarm Optimization (PSO) te integreren, kunnen ingenieurs superieure ontwerpen identificeren binnen een parameterruimte die wordt gedefinieerd door variabelen zoals roosterperiode, diepte, werkcyclus en schuine hoek. In het geval van S-gepolariseerd licht met een golflengte van 550 nm kan parameteroptimalisatie bijvoorbeeld de diffractie-efficiëntie verhogen van ongeveer 56% naar meer dan 94,7%.

Belangrijkste voordelen van SRG:

• Ultraeenvoudige structuur met een dikte van minder dan 0,5 mm;

• Hoge ontwerpflexibiliteit, waardoor controle over de stralingshoek, uniformiteit en polarisatie mogelijk is via de roostermorfologie;

• Geschikt voor goedkope massaproductie met behulp van nano-imprinttechnologie (bijvoorbeeld voor AR-brillen van consumentenkwaliteit).

Inherente uitdagingen van SRG’s:

• Regenboogartefacten: Verspreiding vindt plaats wanneer omgevingslicht (zoals zonlicht) op het oppervlakterooster valt, waardoor gekleurde randen ontstaan. Substraten met een hoge brekingsindex (bijv. SiC) kunnen dit effect onderdrukken.

• Dispersie: Dispersie vindt plaats wanneer omgevingslicht (zoals zonlicht) op het oppervlakterooster valt, waardoor gekleurde randen ontstaan. Substraten met een hoge brekingsindex (bijv. SiC) kunnen dit effect onderdrukken.

• Lage optische efficiëntie: de diffractie-efficiëntie bij één doorgang bedraagt ​​doorgaans 10%–30%; de algehele efficiëntie vereist verbetering door optimalisatie van roosterprofielen of gecascadeerde ontwerpen.

• Polarisatiegevoeligheid: SRG's vertonen aanzienlijk verschillende reacties op verschillende polarisatietoestanden, waardoor het gebruik van gepolariseerde lichtbronnen of apparaten voor polarisatieconversie noodzakelijk is.

Daarom richt de ontwikkeling van diffractieve optische golfgeleiders zich niet alleen op het bereiken van dunnere structuren, maar op het vinden van een beter evenwicht tussen optische efficiëntie, uniformiteit, gezichtsveld (FOV) en aanpassingsvermogen aan de omgeving.

De fysieke balans tussen efficiëntie en uniformiteit

Diffractieve optische golfgeleiders hebben lange tijd te maken gehad met een fundamenteel conflict: het verbeteren van de helderheid van het scherm vereist een toenemende roosterkoppelingsefficiëntie; Een hogere efficiëntie kan echter leiden tot verhoogde parasitaire diffractie en energielekkage, vooral bij brede gezichtsvelden, waardoor de uniformiteit van de weergave in gevaar komt. Omgekeerd kan het teveel prioriteit geven aan uniformiteit ten koste gaan van de algehele optische efficiëntie. Dit conflict tussen efficiëntie en uniformiteit komt voort uit de passieve reactie van conventionele roosters op polarisatietoestanden en voortplantingspaden.

De afgelopen jaren hebben holografische roosters met polarisatievolume (PVG's) een nieuwe weg voor optimalisatie geboden. In tegenstelling tot oppervlakte-reliëfroosters maken PVG's gebruik van een periodieke brekingsindexstructuur die via holografische interferentie in het materiaal wordt gevormd om de voortplanting van licht te moduleren. Onderzoek heeft aangetoond dat PVG's onder specifieke omstandigheden mechanismen voor polarisatieconversie kunnen gebruiken om de efficiëntie van de lichtvoortplanting te verbeteren en energieverliezen veroorzaakt door bepaalde parasitaire diffractie-effecten te verminderen. Hiervan heeft het afwijkende polarisatieconversiemechanisme (APC) veel aandacht getrokken.

Door de polarisatietoestand van licht actief te moduleren om meer optische energie langs het doelpad te sturen, heeft dit mechanisme het potentieel om de koppelingsefficiëntie en helderheidsuniformiteit te verbeteren. Technologieën zoals PVG en APC blijven echter actief onderzocht; hun grootschalige praktische toepassing vereist verdere validatie met betrekking tot materiaalsystemen, productieprocessen en kosteneffectiviteit.

Microdisplay en systeemintegratie: algehele balans van het optische systeem

Optische golfgeleiders dienen als ‘kanalen’, terwijl de optische motor aan de voorkant – het microdisplay – de helderheid, het contrast en de kleur bepaalt. Momenteel zijn de belangrijkste micro-display-technologiepaden die worden onderzocht op het gebied van AR-near-eye-displays Micro-OLED, LCoS/DLP en Micro LED.

Micro-OLED: een relatief volwassen weergaveoplossing voor dichtbij de ogen

Het biedt een extreem hoog contrast (in het bereik van miljoenen tegen één) en het hoogste volwassenheidsniveau. De typische luminantie bij het oog varieert van 1.000 tot 1.250 nits, wat een basisleesbaarheid biedt in gematigd heldere omgevingen, hoewel de prestaties onvoldoende blijven bij sterk buitenlicht. Hoewel sommige monsters piekhelderheidsniveaus van tienduizenden nits kunnen bereiken, zijn het stroomverbruik en de levensduur beperkende factoren.

LCoS/DLP: benadering met hoge helderheid, maar met uitdagingen op het gebied van miniaturisatie.

Deze systemen zijn in staat om helderheidsniveaus van tienduizenden nits te bereiken, zijn voorzien van omvangrijke optische motoren (4–6 cc) en hoge eisen op het gebied van thermisch beheer, waardoor het moeilijk is om een ​​slanke, lichtgewicht vormfactor te bereiken.

Micro-LED: een belangrijke kandidaat voor toekomstige AR-displays

Met een theoretische helderheid van meer dan 100.000 nits, een volume van minder dan 0,5 cc en een levensduur van meer dan 100.000 uur – naast superieure compatibiliteit met SiC-golfgeleiders – wordt dit beschouwd als de ultieme oplossing. De opbrengst van massaoverdracht voor kleurenschermen blijft echter het voornaamste technische knelpunt, en de huidige mogelijkheden voldoen nog niet aan de eisen voor massaproductie op consumentenniveau.

Bovendien zorgen de afwegingen tussen gezichtsveld (FOV), oogdoos, golfgeleiderdikte, koppelingsefficiëntie en energieverbruik ervoor dat AR optisch ontwerp lijkt op het oplossen van een optimalisatieprobleem binnen een hoogdimensionale parameterruimte. Dit verklaart waarom AR-brillen die echt voldoen aan de eisen van consumenten nog steeds niet op grote schaal worden toegepast: de uitdaging ligt niet in de haalbaarheid van een enkele technologie, maar in het bereiken van een superieur niveau van holistisch evenwicht over het hele systeem.

Synergetische vooruitgang van AR-optica via meerdere technische trajecten

AR optische golfgeleidertechnologie ondergaat momenteel een voortdurende evolutie. Aan de ene kant bieden materialen met een hoge brekingsindex nieuwe mogelijkheden om het gezichtsveld uit te breiden en de optische prestaties te optimaliseren; aan de andere kant richten technologieën zoals PVG en polarisatiecontrole zich op de wisselwerking tussen optische efficiëntie en uniformiteit in diffractieve golfgeleiders. Ondertussen zal de ontwikkeling van opkomende microdisplaytechnologieën zoals MicroLED de evolutie van AR-systemen naar hogere helderheid en compactere vormfactoren verder stimuleren.

Verschillende toepassingsscenario's stellen verschillende eisen aan het gezichtsveld, het gewicht, de kosten, de levensduur van de batterij en de weergavekwaliteit; bijgevolg zal de toekomstige markt voor AR-brillen waarschijnlijk het naast elkaar bestaan ​​van meerdere technische oplossingen zien.

Van totale interne reflectie tot materialen met een hoge brekingsindex, en van geometrische reflectiestructuren en diffractieve roosters tot holografische polarisatievolumetechnologie: de evolutie van optische golfgeleiders is in wezen een voortdurende zoektocht om de voortplanting van licht met grotere precisie te beheersen. Elke technologische vooruitgang vertegenwoordigt een doorbraak in de grenzen van materiaaleigenschappen, optisch ontwerp en productieprocessen.

In de toekomst, naarmate optische systemen, microdisplaytechnologieën en rekenkracht verder convergeren, zullen AR-brillen dichter bij het doel komen om natuurlijker, lichter en geschikter te zijn voor dagelijks gebruik. Optische golfgeleiders zullen een cruciale kerntechnologie blijven die de weergave-ervaring van AR-brillen bepaalt.

Bron: Samengesteld door Wuhan Eryuan Technology en Aibang Zhizao