Co to jest falowód dyfrakcyjny AR?

Falowód dyfrakcyjny to główne rozwiązanie w zakresie wyświetlania optycznego dla okularów AR. Wiele urządzeń AR wykorzystuje tę technologię. Dlaczego główni producenci sprzętu AR tak lubią falowody dyfrakcyjne? Czym właściwie jest falowód dyfrakcyjny?

01 Definicja falowodu dyfrakcyjnego

Aby uzyskać głębsze zrozumienie, możemy podzielić termin „falowód dyfrakcyjny” na dwie części: dyfrakcję i falowód.

Zazwyczaj wiemy, że światło może rozchodzić się na trzy sposoby: propagacja w linii prostej, odbicie i załamanie. Na przykład celowniki na podczerwień, peryskopy i wygląd wygiętej słomki po umieszczeniu w wodzie opierają się na tych trzech zasadach. Z drugiej strony dyfrakcja jest czwartym sposobem rozchodzenia się światła.

W XVII wieku włoski profesor matematyki Francesco Grimaldi odkrył i ukuł termin „dyfrakcja”, który pochodzi od łacińskiego słowa „diffringere” oznaczającego „rozbić się na kawałki”. Odnosi się to do pierwotnego kierunku propagacji fali, który jest „łamany” i zaginany w różnych kierunkach.

W swoich eksperymentach przepuszczał wiązkę światła przez dwa małe otwory na ekran w ciemnym pokoju, obserwując wzór jasnych i ciemnych pasków na krawędziach projekcji. Dlatego dyfrakcja odnosi się do zjawiska fizycznego, w którym zmienia się kierunek propagacji fali w przypadku napotkania przeszkód lub szczelin.

Ponieważ zauważalne efekty dyfrakcyjne można zaobserwować dopiero wtedy, gdy wielkość przeszkody lub szerokość szczeliny jest porównywalna lub mniejsza od długości fali fali, często trudno jest dostrzec dyfrakcję światła w naszym codziennym życiu. Jednak w pewnych szczególnych warunkach możemy to zaobserwować. Na przykład zjawisko „chwały” widoczne na niebie, które pojawia się jako kolorowa aureola wokół cieni, jest wynikiem załamania światła słonecznego przez małe kropelki wody i kryształki lodu w chmurach.

Po omówieniu dyfrakcji, czym właściwie jest falowód?

W naszym świecie istnieją różne rodzaje fal, w tym fale świetlne, fale dźwiękowe i fale elektromagnetyczne.

Falowód to urządzenie, które przesyła te fale z jednego miejsca do drugiego. Zatem falowód świetlny jest ośrodkiem lub urządzeniem, które kieruje falami świetlnymi podczas ich propagacji.

Rozumiejąc zarówno dyfrakcję, jak i falowody, możemy zdefiniować falowód dyfrakcyjny: mówiąc najprościej, jest to ośrodek, który wykorzystuje dyfrakcję światła do kierowania falami świetlnymi podczas ich przemieszczania się.

Falowód dyfrakcyjny

Aby wyjaśnić dokładniej, falowód dyfrakcyjny zaprojektowano tak, aby wykorzystywał właściwości dyfrakcyjne siatek do tworzenia „ścieżki światła”, umożliwiającej propagację światła wzdłuż określonej trasy i prowadzenie światła emitowanego z systemu mikroprojekcji do ludzkiego oka.

Siatka dyfrakcyjna, element optyczny o strukturze okresowej, jest głównym elementem falowodu dyfrakcyjnego. W zależności od rodzaju użytej siatki, falowody dyfrakcyjne można podzielić na dwa typy: falowody z siatką powierzchniową i falowody z siatką holograficzną objętościową.

02 Falowód z siatką powierzchniową

Siatki reliefowe powierzchniowe powstają poprzez „rzeźbienie” wysokich szczytów i niskich dolin na powierzchni materiału w procesach takich jak fotolitografia i trawienie. Dzięki tej technice wytwarzania uzyskuje się okresową strukturę spełniającą wymagane parametry optyczne.

Siatki te manipulują światłem, które z nimi oddziałuje, umożliwiając skuteczną dyfrakcję i prowadzenie światła w falowodzie. Kratki reliefowe powierzchniowe są szeroko stosowane ze względu na prostotę produkcji i możliwość integracji z różnymi systemami optycznymi.

Obraz SEM powierzchniowej siatki reliefowej

Falowód z siatką powierzchniową służącą do kierowania światła emitowanego z systemu mikroprojekcji (silnika optycznego) do ludzkiego oka. Światło musi przejść przez procesy sprzęgania i sprzęgania. W szczególności światło emitowane przez silnik optyczny wchodzi do falowodu przez siatkę wejściową, rozchodzi się poprzez całkowite wewnętrzne odbicie w płaskim falowodzie i ostatecznie jest przekazywane do ludzkiego oka przez siatkę wyjściową. Stosowane tu siatki wejściowe i wyjściowe to kraty odciążające powierzchniowe.

Ze względu na to, że właściwości siatki w nanoskali są porównywalne z długością fali światła, światła nie należy uważać za zwykłe promienie, lecz raczej za fale elektromagnetyczne. Światło padając na siatkę ulega wielorzędowej dyfrakcji.

Na przykład, jeśli silnik optyczny emituje światło monochromatyczne (takie jak światło zielone), światło to zostanie podzielone na kilka wiązek poruszających się w różnych kierunkach (rzędy dyfrakcji) po uderzeniu w siatkę wejściową. Jeden z tych niezerowych rzędów dyfrakcji (np. rząd +1) spełni warunek całkowitego wewnętrznego odbicia płaskiego falowodu, umożliwiając mu wejście i propagację przez falowód poprzez całkowite wewnętrzne odbicie. Ten specyficzny porządek dyfrakcji nazywany jest porządkiem pracy falowodu dyfrakcyjnego. Dzięki precyzyjnej kontroli parametrów, takich jak okres, cykl pracy, głębokość rowka i kąt ścianki bocznej siatki, większość energii świetlnej można skoncentrować w stanie roboczym falowodu dyfrakcyjnego, skutecznie sprzęgając większość energii świetlnej w falowodzie. Proces ten nazywany jest procesem sprzęgania falowodu dyfrakcyjnego.

Odpowiednio, gdy światło rozchodzące się poprzez całkowite wewnętrzne odbicie w falowodzie dyfrakcyjnym napotyka siatkę wyjściową, również wytworzy kilka rzędów dyfrakcji. Jeden z tych niezerowych rzędów opuści falowód dyfrakcyjny w określonym kierunku, a następnie trafi do ludzkiego oka. Nazywa się to procesem sprzęgania falowodu dyfrakcyjnego.

Jeśli silnik optyczny emituje kolorowe światło, oprócz wyżej wymienionych procesów, pojawią się inne złożoności. Ze względu na różne długości fal różnych kolorów światła, ich skuteczność dyfrakcyjna również będzie się różnić. W rezultacie podczas propagacji energia każdej barwy światła może zostać utracona w różnym stopniu, co powoduje rozproszenie. Optymalizując różne parametry siatki, siatka może precyzyjnie kontrolować energię różnych długości fal światła, minimalizując w ten sposób problemy z dyspersją i ostatecznie umożliwiając oglądanie obrazów o dokładnych kolorach.

Aby rozwiązać złożone problemy związane z dyfrakcją siatek, firma opracowała kompleksowy pakiet oprogramowania obliczeniowego dla różnych typów siatek, oparty na metodzie modalnej Fouriera (FMM), który pozwala szybko i dokładnie obliczać problemy dyfrakcyjne związane z siatkami.

Ponadto firma posiada w pełni wyposażone główne centrum przetwarzania siatek oraz kompletny system masowej produkcji falowodów dyfrakcyjnych, co zapewnia ścisłą koordynację pomiędzy projektowaniem i produkcją. Projektując kraty, można wziąć pod uwagę możliwości przetwarzania wzorca i techniki produkcji, co pozwala na szybkie dostosowania i optymalizacje w przypadku pojawienia się problemów, co skutkuje szybkim cyklem iteracji produktu.

Falowód dyfrakcyjny, który jest bardzo preferowany przez głównych producentów sprzętu AR, w szczególności odnosi się do falowodu z siatką powierzchniową. Jego zalety obejmują smukłą konstrukcję, duże pole widzenia, szeroki zakres ruchu oczu i niskie koszty produkcji masowej, co czyni go powszechnie uważanym za główny kierunek technologii wyświetlania w branży AR.

03 Holograficzny falowód objętościowy

Proces propagacji światła w falowodzie z siatką holograficzną objętościową jest zasadniczo podobny do procesu w falowodzie z siatką reliefową powierzchniową.

Kluczowa różnica polega na sposobie tworzenia objętościowej siatki holograficznej. Zamiast być „rzeźbionym”, holograficzna siatka objętościowa jest tworzona poprzez wystawienie warstwy fotorezystu na podłożu na wzory interferencyjne utworzone przez dwie spójne wiązki światła. Proces ten generuje okresowy rozkład przestrzenny ze zmiennymi współczynnikami załamania światła na poziomie molekularnym. Siatki holograficzne objętościowe zazwyczaj działają w warunkach dyfrakcji Bragga.

Jakie są warunki dyfrakcji Bragga?

W 1912 roku niemiecki naukowiec Max von Laue odkrył zjawisko dyfrakcji promieni rentgenowskich w kryształach, kładąc podwaliny pod badania fizyki dyfrakcji promieni rentgenowskich. W tym samym roku Lawrence Bragg na podstawie wielokrotnych badań w Cavendish Laboratory doszedł do wniosku, że zjawisko to jest rodzajem efektu dyfrakcji fal.

W 1913 roku Lawrence Bragg i jego ojciec, Henry Bragg, wspólnie zaproponowali formę dyfrakcji promieni rentgenowskich Bragga (znaną jako dyfrakcja Bragga). Odkryli, że gdy fale cząstek subatomowych dostaną się do kryształu, a długość fali cząstek będzie bliska odległości między atomami w krysztale, fale cząstek zostaną rozproszone przez atomy w sposób lustrzany. To rozproszenie spowoduje konstruktywną interferencję zgodnie z prawem Bragga, tworząc skoncentrowane szczyty fal (znane jako piki Bragga). Warunki Bragga to kryteria, które muszą zostać spełnione, aby wystąpiła konstruktywna interferencja.

Schematyczny diagram dyfrakcji Bragga

Opierając się na zasadzie dyfrakcji Bragga, gdy fale świetlne spełniają warunki Bragga, objętościowe siatki holograficzne mogą osiągnąć bardzo wysoką skuteczność dyfrakcji. Jednakże warunki Bragga nakładają rygorystyczne wymagania dotyczące kąta i długości fali padającego światła. Jeśli te warunki nie zostaną spełnione, skuteczność dyfrakcji może gwałtownie spaść. Powoduje to, że falowody holograficzne z siatką holograficzną mają trudności z osiągnięciem dobrej jednolitości kolorów, co nie spełnia wymagań rynku.

Obecnie falowody z siatką holograficzną objętościową wykazują znaczne luki w porównaniu z falowodami z siatką reliefową powierzchniową pod względem wydajności wyświetlania, komercjalizacji produktu i wsparcia przemysłowego.

04 Podsumowanie

Falowody dyfrakcyjne AR wykorzystują charakterystykę dyfrakcyjną siatek do projektowania „ścieżek światła”, umożliwiając skierowanie światła emitowanego z systemów mikroprojekcji na ludzkie oko. W zależności od rodzaju użytej siatki dyfrakcyjnej, falowody dyfrakcyjne można podzielić na falowody z siatką powierzchniową i falowody z siatką holograficzną objętościową.

Falowody z siatką reliefową mają takie zalety, jak lekkość, duże pole widzenia, szeroki zakres ruchu oczu i niskie koszty produkcji masowej. W związku z tym są one powszechnie uważane za główny nurt technologii wyświetlania w branży AR. Chociaż falowody z siatką holograficzną objętościową wykazują bardzo wysoką skuteczność dyfrakcji, mają problemy z jednolitością kolorów ze względu na rygorystyczne warunki dyfrakcji Bragga i wciąż znajdują się na wczesnym etapie rozwoju technologii, wymagającym znacznych postępów, aby osiągnąć przełomy.

Wraz z ciągłym postępem technologicznym i udoskonaleniami przetwarzania, falowody dyfrakcyjne AR oparte na powierzchniowych siatkach reliefowych zaczynają wchodzić na rynek konsumencki. Uważa się, że w przyszłości zapewnią one wyjątkowe wrażenia z wyświetlania AR większej liczbie producentów sprzętu AR.