Jak działa technologia falowodu dyfrakcyjnego w wyświetlaczach okularów AR

W naszym poprzednim artykule „Co to jest falowód dyfrakcyjny AR?” wyjaśniliśmy podstawowe zasady działania falowodów dyfrakcyjnych i podkreśliliśmy różnice między falowodami z siatką reliefową powierzchniową a falowodami z siatką holograficzną objętościową. Dzisiaj zagłębimy się w podstawowe funkcje i kierunki optymalizacji falowodów dyfrakcyjnych, omawiając, dlaczego falowody dyfrakcyjne oparte na siatkach powierzchniowych stają się głównym nurtem technologii wyświetlania w okularach AR.

01 Podstawowe funkcje falowodów dyfrakcyjnych

1. Transfer izometryczny obrazu

Z naszych wcześniejszych artykułów wiemy, że aby falowód dyfrakcyjny mógł skierować światło emitowane z układu mikroprojekcji (silnika optycznego) do ludzkiego oka, musi on przejść procesy sprzęgania i sprzęgania. W szczególności światło emitowane przez silnik optyczny wchodzi do płaskiego falowodu przez siatkę sprzęgającą, rozchodzi się w nim na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia i ostatecznie jest przekazywane do oka przez siatkę sprzęgającą.

Najważniejszym aspektem tego procesu jest całkowita wewnętrzna refleksja. Ale czym właściwie jest całkowite wewnętrzne odbicie?

Całkowite wewnętrzne odbicie ma miejsce, gdy światło przechodzi z ośrodka o wyższym współczynniku załamania światła do ośrodka o niższym współczynniku załamania światła, a kąt padania jest większy lub równy kątowi krytycznemu. Gdy zostaną spełnione warunki całkowitego wewnętrznego odbicia, światło będzie w sposób ciągły rozchodzić się przez płaski falowód w wyniku odbicia, bez transmisji, umożliwiając w ten sposób zmianę kierunku światła. Dobrze znanym zjawiskiem naturalnym wynikającym z całkowitego wewnętrznego odbicia jest miraż.

Zazwyczaj okulary AR generują obrazy za pomocą silnika optycznego. Jednakże umieszczenie mechanizmu optycznego bezpośrednio na obiektywie utrudniałoby użytkownikowi widoczność i byłoby nieatrakcyjne wizualnie. Co więcej, poleganie wyłącznie na silniku optycznym nie pozwoliłoby uzyskać pożądanego efektu łączenia obrazów wirtualnych z rzeczywistymi.

Wykorzystując zasadę całkowitego wewnętrznego odbicia, falowody dyfrakcyjne mogą przeprowadzać izometryczny transfer obrazów wyświetlanych przez silnik optyczny, umożliwiając umieszczenie silnika optycznego na górze lub z boku okularów. Takie podejście nie tylko pozwala uniknąć zasłaniania pola widzenia użytkownika, ale także, dzięki dużej szybkości transmisji światła i cienkiemu profilowi ​​falowodu dyfrakcyjnego, przybliża wygląd okularów AR do zwykłych okularów, jednocześnie osiągając pożądany efekt integracji wirtualno-rzeczywistej.

Warto zaznaczyć, że falowód dyfrakcyjny odpowiada wyłącznie za przeniesienie obrazu do oka i nie ma wpływu na treść samego obrazu, czyli nie ma możliwości powiększania ani pomniejszania rozmiaru obrazu.

2. Dwuwymiarowe rozszerzanie źrenic

Standardowym rozwiązaniom wyświetlaczy optycznych zazwyczaj brakuje możliwości rozszerzania źrenic, co ogranicza widza do oglądania obrazów jedynie w zakresie rozmiaru źrenicy wyjściowej mechanizmu optycznego (tj. zakresu ruchu oczu). Na przykład, jeśli źrenica wyjściowa mechanizmu optycznego ma średnicę φ5 mm, użytkownik może oglądać obraz jedynie w zakresie φ5 mm. Przypomina to patrzenie na świat przez wizjer, co znacznie zmniejsza immersję i wrażenia wizualne.

Aby rozwiązać ten problem, falowody dyfrakcyjne mogą osiągnąć dwuwymiarowe rozszerzenie źrenicy, powiększając źrenicę wyjściową, zachowując jednocześnie niewielkie rozmiary i szerokie pole widzenia. Skutecznie zwiększa to zakres ruchu oczu w obu kierunkach, zapewniając większe poczucie zanurzenia i lepsze wrażenia wizualne, jednocześnie uwzględniając różne rozstawy źrenic. Stanowi to drugą podstawową funkcję falowodów dyfrakcyjnych.

Generalnie istnieją dwa podejścia do realizacji dwuwymiarowego rozszerzania źrenic. Pierwsza polega na zastosowaniu trzech siatek jednowymiarowych (tj. siatki łączącej, siatki zginanej i siatki łączącej). Drugie podejście wykorzystuje jedną siatkę jednowymiarową (siatkę łączącą) i jedną siatkę dwuwymiarową (siatkę łączącą).

W pierwszym podejściu światło emitowane przez silnik optyczny jest wprowadzane do falowodu poprzez siatkę sprzęgającą. Następnie światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i uderza w zakrzywioną siatkę, gdzie część światła jest kierowana do siatki łączącej, podczas gdy pozostałe światło kontynuuje propagację do przodu poprzez odbicie. Światło to ponownie uderzy w siatkę zaginającą, a kolejna część zostanie przekierowana do siatki łączącej. Proces ten powtarza się, aby uzyskać jednowymiarowe rozszerzenie źrenicy.

Wreszcie, część światła docierającego do siatki sprzęgającej zostanie ugięta w oku, podczas gdy pozostałe światło będzie nadal rozprzestrzeniać się do przodu poprzez odbicie, ponownie wchodząc w interakcję z siatką łączącą. Proces ten skutkuje innym kierunkiem jednowymiarowego rozszerzania źrenicy. Kiedy te dwa jednowymiarowe rozszerzenia zostaną połączone, tworzą dwuwymiarowe rozszerzenie źrenicy.

W drugim podejściu proces również rozpoczyna się od sprzężenia światła emitowanego z silnika optycznego z falowodem za pomocą siatki sprzęgającej. Następnie światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i uderza w dwuwymiarową siatkę łączącą. W tym momencie część światła jest załamywana w oku, podczas gdy pozostała część światła jest dzielona i dalej rozprzestrzenia się poprzez odbicie w kierunku poziomym i pionowym.

Światło będzie następnie ponownie oddziaływać z siatką łączącą, gdzie kolejna część zostanie załamana w oku. Proces ten powtarza się, skutecznie osiągając dwuwymiarowe rozszerzenie źrenic.

Powyższe opisuje procesy fizyczne dwuwymiarowych schematów rozszerzania źrenic. Dla porównania, pierwszy schemat jest stosunkowo prostszy pod względem projektu i wytwarzania falowodu dyfrakcyjnego, ale zajmuje większą całkowitą powierzchnię soczewki. Drugi schemat wymaga natomiast zastosowania dwuwymiarowych siatek, które są bardziej złożone w projektowaniu i wytwarzaniu, co utrudnia ich wdrożenie. Jednakże takie podejście skutkuje bardziej zwartą ogólną strukturą, co pozwala na zmniejszenie powierzchni soczewki.

Stosując dwuwymiarowe rozszerzanie źrenic, możemy nie tylko zwiększyć zakres ruchu gałek ocznych i poprawić zanurzenie użytkownika, ale także zmniejszyć wagę i wymiary silnika optycznego zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym, dzięki czemu okulary AR są lżejsze i łatwiejsze do dostosowania.

Należy zauważyć, że chociaż dwuwymiarowe rozszerzanie źrenic odtwarza obraz wielokrotnie, w rzeczywistości postrzegamy tylko jeden obraz, a nie wiele obrazów. Dzieje się tak dlatego, że obraz przesyłany przez siatkę łączącą nie jest obrazem rzeczywistym, lecz wirtualnym. Ponadto ludzki mózg ma tendencję do oszukiwania się, podążając za przedłużoną linią wzroku widzianych wiązek światła. Wiązki światła generowane przez rozszerzenie źrenicy odpowiadają różnym kątom tego samego wirtualnego obrazu, więc niezależnie od tego, ile różnych pozycji rozszerzonych wiązek światła dostrzeże oko, będą one wskazywały ten sam obraz na podstawie przedłużonej linii wzroku.

Przypomina to na przykład obserwowanie świecy przez zwierciadło płaskie. Światło świecy odbija się od lustra i trafia do oka, które następnie na podstawie wydłużonej linii promieni świetlnych wyszukuje wirtualny obraz. Trzy promienie świetlne pokazane na schemacie można rozumieć jako rozszerzone wiązki światła w trzech różnych pozycjach falowodu dyfrakcyjnego. Jak pokazano na schemacie, gdy widzimy te trzy wiązki światła jednocześnie, wszystkie wskazują na ten sam obraz.

Ponadto istnieje powszechne błędne przekonanie, że falowody dyfrakcyjne mają niską efektywność energetyczną. W rzeczywistości takie postrzeganie pojawia się w procesie uzyskiwania dwuwymiarowego rozszerzenia źrenicy, gdzie falowód dyfrakcyjny musi podzielić energię świetlną na wiele części i równomiernie rozprowadzić ją w każdym położeniu źrenicy wyjściowej. W rezultacie energia na jednostkę powierzchni jest naturalnie zmniejszona. Gdybyśmy jednak zebrali wszystkie promienie świetlne z falowodu dyfrakcyjnego do oka, odkrylibyśmy, że jego wydajność energetyczna w rzeczywistości nie jest niska.

Zatem główną przyczyną postrzeganej niskiej efektywności energetycznej falowodów dyfrakcyjnych jest rozszerzenie źrenic. Jednakże rozszerzalność jest istotną cechą falowodów dyfrakcyjnych i, jak wspomniano wcześniej, oferuje wiele korzyści. Dlatego istotne jest maksymalizacja efektywności energetycznej przy jednoczesnym zachowaniu pewnego poziomu rozszerzenia źrenic.

02 Trzy główne kierunki optymalizacji falowodów dyfrakcyjnych

1. Optymalizacja efektywności dyfrakcji światła

Jak wspomniano wcześniej, wiele osób uważa, że ​​falowody dyfrakcyjne mają niską efektywność energetyczną. Aby rozwiązać ten problem, należy poprawić efektywność energetyczną poprzez optymalizację efektywności dyfrakcji światła przy jednoczesnym zachowaniu pewnego poziomu rozszerzenia źrenic.

Ponieważ wielkość siatek w nanoskali jest porównywalna z długością fali światła, istotne jest, aby podczas propagacji traktować światło nie jako zwykłe promienie, ale jako fale elektromagnetyczne. Kiedy światło pada na siatkę, zostaje rozszczepione na kilka różnych kierunków (rzędy dyfrakcji), co nieuchronnie powoduje utratę części energii świetlnej.

Aby mieć pewność, że większość energii świetlnej zostanie sprzęgnięta z falowodem dyfrakcyjnym, jako warunek działania falowodu dyfrakcyjnego wybieramy zazwyczaj określony, niezerowy stopień dyfrakcji (który spełnia warunki całkowitego wewnętrznego odbicia). Precyzyjnie kontrolując parametry, takie jak okres siatki, cykl pracy, głębokość rowka i kąt ścianki bocznej, możemy zoptymalizować skuteczność dyfrakcji światła, koncentrując większość energii świetlnej w tym stanie roboczym. To z kolei zwiększa efektywność energetyczną i pozwala na zwiększenie jasności obrazu.

2. Optymalizacja efektywności dyfrakcji dla różnych kątów padania

Innym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas optymalizacji siatki, jest wpływ kąta padania światła na skuteczność dyfrakcji.

Ponieważ obraz wyświetlany przez silnik optyczny tworzy powierzchnię świetlną, światło z różnych miejsc na tej powierzchni wchodzi do falowodu dyfrakcyjnego pod różnymi kątami. W przypadku falowodów dyfrakcyjnych różne kąty padania powodują różną skuteczność dyfrakcyjną, co prowadzi do niespójności w ogólnej jasności obrazu.

Dlatego też oprócz optymalizacji efektywności dyfrakcji dla określonego rzędu dyfrakcji, istotna jest również optymalizacja efektywności dyfrakcji światła pod różnymi kątami padania, aby zapewnić jednolitą jasność.

3. Optymalizacja efektywności dyfrakcji dla różnych długości fal

Różne kolory światła mają różne długości fal, co wpływa na ich skuteczność dyfrakcyjną. Dodatkowo różne długości fal powodują różne kąty dyfrakcji, co oznacza, że ​​podczas procesu rozszerzania źrenicy częstotliwość interakcji różnych kolorów światła z siatką łączącą również będzie się zmieniać. Te dwa czynniki utrudniają dotarcie każdego koloru światła do oka z równymi proporcjami energii, co powoduje problemy z jednolitością kolorów. Zatem osiągnięcie dobrej jednorodności kolorów obrazów przy użyciu jednowarstwowego falowodu dyfrakcyjnego jest trudne.

Aby zapewnić, że światło o różnych długościach fal wychodzi z równymi proporcjami energii, zwykle stosuje się wielowarstwowe (dwie warstwy lub więcej) ułożenie falowodów dyfrakcyjnych. Każda warstwa falowodu dyfrakcyjnego jest zoptymalizowana pod kątem kontrolowania i wzmacniania energii dla określonego zakresu długości fal, jednocześnie tłumiąc przesłuchy między warstwami. Takie podejście zapewnia, że ​​światło o różnych długościach fal ostatecznie dociera do oka z równymi proporcjami energii, poprawiając jednolitość kolorów i wyświetlając normalne, żywe obrazy.

03 Podsumowanie

Z jednej strony falowody dyfrakcyjne pełnią dwie podstawowe funkcje: izometryczny transfer obrazu i dwuwymiarowe rozszerzanie źrenic. Dzięki tym funkcjom okulary AR są lekkie i smukłe, a jednocześnie są przeznaczone dla szerszego grona użytkowników, zapewniając silne poczucie zanurzenia i doskonałe wrażenia wizualne. Dodatkowo integracja procesów półprzewodnikowych zwiększa możliwości produkcyjne falowodów dyfrakcyjnych, kładąc solidne podstawy dla wejścia okularów AR na rynek konsumencki.

Z drugiej strony, jako główna technologia wyświetlania w okularach AR, falowody dyfrakcyjne oferują ogromny potencjał, ale charakteryzują się także znaczną złożonością. Optymalizację efektywności dyfrakcji należy rozpatrywać z wielu aspektów, w tym rzędów dyfrakcji, kątów padania i długości fal.

Dzięki ciągłemu postępowi technologicznemu i dalszej optymalizacji wydajności, falowody dyfrakcyjne AR są w stanie wprowadzić okulary AR do gospodarstw domowych, świecąc jasno w epoce metaświata.