Hoe werkt diffractieve golfgeleidertechnologie in AR-brilweergave?

In ons vorige artikel, 'Wat is AR diffractieve golfgeleider?', hebben we de fundamentele principes van diffractieve golfgeleiders uitgelegd en de verschillen tussen oppervlaktereliëfroostergolfgeleiders en volumeholografische roostergolfgeleiders benadrukt. Vandaag zullen we dieper ingaan op de kernfuncties en optimalisatierichtingen van diffractieve golfgeleiders, en bespreken waarom diffractieve golfgeleiders op basis van oppervlaktereliëfroosters in opkomst zijn als de reguliere weergavetechnologie voor AR-brillen.

01 Kernfuncties van diffractieve golfgeleiders

1. Isometrische afbeeldingsoverdracht

Uit onze eerdere artikelen weten we dat een diffractieve golfgeleider, wil hij licht dat door een microprojectiesysteem (optische motor) wordt uitgezonden, in het menselijk oog kan richten, koppelings- en uitkoppelingsprocessen moet ondergaan. Meer specifiek komt het door de optische motor uitgezonden licht de platte golfgeleider binnen via het koppelrooster, plant zich daarin voort door totale interne reflectie en wordt uiteindelijk door het uitkoppelrooster naar het oog overgebracht.

Het meest cruciale aspect van dit proces is totale interne reflectie. Maar wat is totale interne reflectie precies?

Totale interne reflectie vindt plaats wanneer licht zich verplaatst van een medium met een hogere brekingsindex naar een medium met een lagere brekingsindex, en de invalshoek groter is dan of gelijk is aan de kritische hoek. Wanneer aan de voorwaarden voor totale interne reflectie is voldaan, zal het licht zich door reflectie voortdurend door de platte golfgeleider voortplanten zonder naar buiten te worden doorgelaten, waardoor de richting van het licht kan worden veranderd. Een bekend natuurverschijnsel dat het gevolg is van totale interne reflectie is de luchtspiegeling.

Normaal gesproken voeren AR-brillen afbeeldingen uit met behulp van een optische engine. Het rechtstreeks op de lens plaatsen van de optische engine zou echter het zicht van de gebruiker belemmeren en visueel onaantrekkelijk zijn. Bovendien zou het uitsluitend vertrouwen op de optische engine niet het gewenste effect bereiken van het samenvoegen van virtuele en echte beelden.

Door gebruik te maken van het principe van totale interne reflectie kunnen diffractieve golfgeleiders een isometrische overdracht uitvoeren van de door de optische motor geprojecteerde beelden, waardoor de optische motor aan de boven- of zijkant van de bril kan worden geplaatst. Deze aanpak vermijdt niet alleen dat de zichtlijn van de gebruiker wordt belemmerd, maar zorgt er, dankzij de hoge lichttransmissiesnelheid en het dunne profiel van de diffractieve golfgeleider, ook voor dat AR-brillen qua uiterlijk dichter bij gewone brillen komen, terwijl het gewenste effect van virtueel-reële integratie wordt bereikt.

Het is belangrijk op te merken dat de diffractieve golfgeleider uitsluitend verantwoordelijk is voor het overbrengen van het beeld naar het oog en geen invloed heeft op de inhoud van het beeld zelf, wat betekent dat hij niet de mogelijkheid heeft om de beeldgrootte te vergroten of te verkleinen.

2. Tweedimensionale leerlinguitbreiding

Standaard optische weergaveoplossingen ontberen doorgaans de mogelijkheden voor pupilvergroting, waardoor de kijker alleen beelden kan zien binnen het bereik van de uittredepupilgrootte van de optische engine (dwz het bereik van de oogbewegingen). Als de uittredepupil van de optische engine bijvoorbeeld φ5 mm meet, kan de gebruiker het beeld alleen binnen een bereik van φ5 mm bekijken. Dit lijkt op het kijken naar de wereld door een kijkgaatje, wat de onderdompeling en visuele ervaring aanzienlijk vermindert.

Om dit probleem aan te pakken, kunnen diffractieve golfgeleiders tweedimensionale pupiluitbreiding bereiken, waardoor de uittredepupil wordt vergroot en tegelijkertijd een compact formaat en een breed gezichtsveld behouden blijft. Dit vergroot effectief het bereik van de oogbewegingen in beide richtingen, wat een verhoogd gevoel van onderdompeling en een verbeterde visuele ervaring oplevert, terwijl ook verschillende oogafstanden worden aangehouden. Dit vertegenwoordigt de tweede kernfunctie van diffractieve golfgeleiders.

Er zijn over het algemeen twee benaderingen om tweedimensionale pupilexpansie te implementeren. De eerste omvat het gebruik van drie eendimensionale roosters (dwz koppelrooster, buigrooster en uitkoppelrooster). Bij de tweede benadering wordt gebruik gemaakt van één eendimensionaal rooster (koppelrooster) en één tweedimensionaal rooster (koppelrooster).

Bij de eerste benadering wordt door de optische motor uitgezonden licht via het koppelrooster in de golfgeleider gekoppeld. Het licht ondergaat dan totale interne reflectie en treft het buigende rooster, waar een deel van het licht wordt omgeleid naar het uitkoppelrooster, terwijl het resterende licht zich door reflectie voorwaarts blijft voortplanten. Dit licht zal opnieuw op het buigrooster vallen en een ander deel zal op het uitkoppelrooster worden gericht. Dit proces wordt herhaald om eendimensionale pupiluitbreiding te bereiken.

Ten slotte zal een deel van het licht dat het uitkoppelrooster bereikt, in het oog worden afgebogen, terwijl het resterende licht zich voorwaarts blijft voortplanten door middel van reflectie, en opnieuw in wisselwerking staat met het uitkoppelrooster. Dit proces resulteert in een andere richting van eendimensionale pupiluitbreiding. Wanneer deze twee eendimensionale uitzettingen worden gecombineerd, ontstaat er een tweedimensionale pupiluitbreiding.

Bij de tweede benadering begint het proces ook met het koppelen van het door de optische motor uitgezonden licht in de golfgeleider met behulp van het koppelrooster. Het licht ondergaat vervolgens een totale interne reflectie en valt op het tweedimensionale koppelingsrooster. Op dit punt wordt een deel van het licht in het oog afgebogen, terwijl het resterende licht wordt verdeeld en zich voorwaarts blijft voortplanten door reflectie in zowel horizontale als verticale richtingen.

Het licht zal dan opnieuw interageren met het uitkoppelrooster, waarbij een ander deel in het oog wordt afgebogen. Dit proces wordt herhaald, waardoor effectief tweedimensionale pupiluitbreiding wordt bereikt.

Het bovenstaande beschrijft de fysieke processen van de tweedimensionale pupiluitbreidingsschema's. Ter vergelijking: het eerste schema is relatief eenvoudiger in termen van het ontwerp en de fabricage van de diffractieve golfgeleider, maar neemt een groter lensoppervlak in beslag. Het tweede schema vereist daarentegen het gebruik van tweedimensionale roosters, die complexer zijn om te ontwerpen en te vervaardigen, waardoor het een grotere uitdaging wordt om te implementeren. Deze benadering resulteert echter in een compactere algehele structuur, waardoor een verkleining van het lensoppervlak mogelijk is.

Door gebruik te maken van tweedimensionale pupiluitbreiding kunnen we niet alleen het bereik van de oogbewegingen vergroten en de gebruikerservaring verbeteren, maar ook het gewicht en de afmetingen van de optische motor in zowel horizontale als verticale richtingen verminderen, waardoor AR-brillen lichter en beter aanpasbaar worden.

Het is belangrijk op te merken dat hoewel tweedimensionale pupiluitbreiding het beeld meerdere keren repliceert, we feitelijk slechts één beeld waarnemen, en niet meerdere beelden. Dit komt omdat het door het uitkoppelrooster overgedragen beeld geen echt beeld is, maar een virtueel beeld. Bovendien heeft het menselijk brein de neiging zichzelf voor de gek te houden door de verlengde gezichtslijn te volgen van de lichtstralen die het ziet. De lichtbundels die worden gegenereerd door de pupiluitbreiding komen overeen met verschillende hoeken van hetzelfde virtuele beeld, dus ongeacht hoeveel verschillende posities van de uitgezette lichtbundels het oog waarneemt, zullen ze teruggaan naar hetzelfde beeld op basis van de verlengde gezichtslijn.

Het is bijvoorbeeld vergelijkbaar met het observeren van een kaars door een vlakke spiegel. Het licht van de kaars weerkaatst door de spiegel en komt in het oog terecht, dat vervolgens op zoek gaat naar het virtuele beeld op basis van de verlengde lijn van de lichtstralen. De drie lichtstralen die in het diagram worden weergegeven, kunnen worden begrepen als de uitgezette lichtbundels op drie verschillende posities in de diffractieve golfgeleider. Zoals weergegeven in het diagram wijzen we, als we deze drie lichtstralen tegelijkertijd zien, allemaal naar hetzelfde beeld.

Bovendien bestaat er een algemene misvatting dat diffractieve golfgeleiders een lage energie-efficiëntie hebben. In werkelijkheid ontstaat deze perceptie tijdens het proces van het bereiken van tweedimensionale pupiluitbreiding, waarbij de diffractieve golfgeleider de lichtenergie in vele delen moet verdelen en deze gelijkmatig over elke uitgangspupilpositie moet verdelen. Als gevolg hiervan wordt de energie per oppervlakte-eenheid op natuurlijke wijze verminderd. Als we echter alle lichtstralen van de diffractieve golfgeleider in het oog zouden verzamelen, zouden we ontdekken dat de energie-efficiëntie ervan eigenlijk niet laag is.

De belangrijkste reden voor de waargenomen lage energie-efficiëntie van diffractieve golfgeleiders is dus de pupiluitbreiding. Uitzetting is echter een belangrijk kenmerk van diffractieve golfgeleiders en biedt, zoals eerder vermeld, talloze voordelen. Daarom is het essentieel om de energie-efficiëntie te maximaliseren en tegelijkertijd een bepaald niveau van pupiluitbreiding te behouden.

02 Drie belangrijke optimalisatierichtingen voor diffractieve golfgeleiders

1. Optimalisatie van de lichtdiffractie-efficiëntie

Zoals eerder vermeld, merken veel mensen dat diffractieve golfgeleiders een lage energie-efficiëntie hebben. Om dit probleem aan te pakken, is het noodzakelijk om de energie-efficiëntie te verbeteren door de diffractie-efficiëntie van licht te optimaliseren, terwijl een bepaald niveau van pupiluitbreiding behouden blijft.

Omdat de kenmerkende grootte van roosters op nanoschaal vergelijkbaar is met de golflengte van licht, is het essentieel om licht niet als gewone straling te behandelen, maar als elektromagnetische golven tijdens de voortplanting. Wanneer licht op het rooster valt, wordt het in verschillende richtingen gesplitst (diffractievolgorde), en onvermijdelijk gaat daarbij een deel van de lichtenergie verloren.

Om ervoor te zorgen dat het grootste deel van de lichtenergie in de diffractieve golfgeleider wordt gekoppeld, selecteren we doorgaans een specifieke niet-nul diffractieorde (die voldoet aan de totale interne reflectievoorwaarden) als de werkvolgorde van de diffractieve golfgeleider. Door parameters zoals de roosterperiode, inschakelduur, groefdiepte en zijwandhoek nauwkeurig te controleren, kunnen we de diffractie-efficiëntie van licht optimaliseren, waardoor de meeste lichtenergie in deze werkvolgorde wordt geconcentreerd. Dit verbetert op zijn beurt de energie-efficiëntie en zorgt voor een grotere beeldhelderheid.

2. Optimalisatie van de diffractie-efficiëntie voor verschillende invalshoeken

Een andere belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het optimaliseren van het rooster is de impact van de invalshoek van het licht op de diffractie-efficiëntie.

Omdat het door de optische motor geprojecteerde beeld een licht oppervlak vormt, komt licht vanuit verschillende posities op dit oppervlak onder verschillende hoeken de diffractieve golfgeleider binnen. Voor diffractieve golfgeleiders resulteren verschillende invalshoeken in verschillende diffractie-efficiënties, wat leidt tot inconsistenties in de algehele helderheid van het beeld.

Daarom is het, naast het optimaliseren van de diffractie-efficiëntie voor een specifieke diffractievolgorde, ook essentieel om de diffractie-efficiëntie voor licht onder verschillende invalshoeken te optimaliseren om een ​​uniforme helderheid te garanderen.

3. Optimalisatie van de diffractie-efficiëntie voor verschillende golflengten

Verschillende kleuren licht hebben verschillende golflengten, wat hun diffractie-efficiëntie beïnvloedt. Bovendien resulteren de verschillende golflengten in verschillende diffractiehoeken, wat betekent dat tijdens het pupilexpansieproces de interactiefrequentie van verschillende kleuren licht met het uitkoppelrooster ook zal variëren. Deze twee factoren maken het voor elke lichtkleur een uitdaging om met gelijke energieverhoudingen het oog binnen te dringen, wat resulteert in problemen met de kleuruniformiteit. Het bereiken van een goede kleuruniformiteit in afbeeldingen met behulp van een enkellaags diffractieve golfgeleider is dus moeilijk.

Om ervoor te zorgen dat licht met verschillende golflengten met gelijke energieverhoudingen naar buiten komt, wordt doorgaans een meerlaagse (twee lagen of meer) stapeling van diffractieve golfgeleiders gebruikt. Elke laag van de diffractieve golfgeleider is geoptimaliseerd om de energie voor een specifiek golflengtebereik te controleren en te verbeteren, terwijl ook overspraak tussen de lagen wordt onderdrukt. Deze aanpak zorgt ervoor dat licht van verschillende golflengten uiteindelijk met gelijke energieverhoudingen het oog binnendringt, waardoor de kleuruniformiteit wordt verbeterd en normale, levendige beelden worden weergegeven.

03 Samenvatting

Aan de ene kant hebben diffractieve golfgeleiders twee kernfuncties: isometrische beeldoverdracht en tweedimensionale pupiluitbreiding. Op basis van deze functies zorgen ze ervoor dat AR-brillen licht en slank zijn en tegelijkertijd een breder scala aan gebruikers kunnen bedienen, waardoor een sterk gevoel van onderdompeling en een uitstekende visuele ervaring wordt geboden. Bovendien verbetert de integratie van halfgeleiderprocessen de maakbaarheid van diffractieve golfgeleiders, waardoor een solide basis wordt gelegd voor AR-brillen om de consumentenmarkt te betreden.

Aan de andere kant bieden diffractieve golfgeleiders, als de reguliere weergavetechnologie voor AR-brillen, een groot potentieel, maar brengen ze ook een aanzienlijke complexiteit met zich mee. Optimalisatie van de diffractie-efficiëntie moet vanuit meerdere aspecten worden overwogen, waaronder diffractieorden, invalshoeken en golflengten.

Met voortdurende technologische vooruitgang en verdere prestatie-optimalisatie zijn AR-diffractieve golfgeleiders klaar om AR-brillen in huishoudens te brengen, die helder schijnen in het tijdperk van de metaverse.