Como funciona a tecnologia de guia de onda difrativo em telas de óculos AR

Em nosso artigo anterior, 'O que é guia de onda difrativo AR?', explicamos os princípios fundamentais dos guias de onda difrativos e destacamos as diferenças entre guias de onda de grade de relevo de superfície e guias de onda de grade holográfica de volume. Hoje, nos aprofundaremos nas principais funções e direções de otimização dos guias de ondas difrativos, discutindo por que os guias de ondas difrativos baseados em grades de relevo de superfície estão emergindo como a principal tecnologia de exibição para óculos AR.

01 Funções principais dos guias de onda difrativos

1. Transferência isométrica de imagem

De nossos artigos anteriores, sabemos que para que um guia de ondas difrativo direcione a luz emitida por um sistema de microprojeção (motor óptico) para o olho humano, ele deve passar por processos de acoplamento e desacoplamento. Especificamente, a luz emitida pelo motor óptico entra no guia de onda plano através da grade de acoplamento, propaga-se dentro dele por reflexão interna total e é finalmente transmitida ao olho pela grade de acoplamento.

O aspecto mais crucial deste processo é a reflexão interna total. Mas o que é exatamente a reflexão interna total?

A reflexão interna total ocorre quando a luz viaja de um meio com índice de refração mais alto para outro com índice de refração mais baixo, e o ângulo de incidência é maior ou igual ao ângulo crítico. Quando as condições para reflexão interna total forem satisfeitas, a luz propagar-se-á continuamente através do guia de ondas plano por reflexão sem ser transmitida para fora, permitindo assim que a direcção da luz seja alterada. Um conhecido fenômeno natural resultante da reflexão interna total é a miragem.

Normalmente, os óculos AR geram imagens usando um mecanismo óptico. Contudo, colocar o motor óptico directamente sobre a lente obstruiria a visão do utilizador e seria visualmente desagradável. Além disso, confiar apenas no mecanismo óptico não alcançaria o efeito desejado de mesclar imagens virtuais e reais.

Aproveitando o princípio da reflexão interna total, os guias de onda difrativos podem realizar a transferência isométrica das imagens projetadas pelo motor óptico, permitindo que o motor óptico seja posicionado na parte superior ou lateral dos vidros. Esta abordagem não apenas evita obstruir a linha de visão do usuário, mas também, devido à alta taxa de transmissão de luz e ao perfil fino do guia de onda difrativo, aproxima os óculos AR dos óculos normais, ao mesmo tempo que alcança o efeito desejado de integração virtual-real.

É importante notar que o guia de ondas difrativo é responsável exclusivamente pela transferência da imagem para o olho e não afeta o conteúdo da imagem em si, o que significa que não tem a capacidade de ampliar ou reduzir o tamanho da imagem.

2. Expansão bidimensional da pupila

As soluções de exibição óptica padrão normalmente não possuem capacidade de expansão da pupila, limitando o espectador a ver imagens apenas dentro da faixa do tamanho da pupila de saída do mecanismo óptico (ou seja, faixa de movimento dos olhos). Por exemplo, se a pupila de saída do motor óptico medir φ5mm, o usuário só poderá visualizar a imagem dentro de uma faixa de φ5mm. Isto é semelhante a olhar o mundo através de um olho mágico, o que diminui significativamente a imersão e a experiência visual.

Para resolver este problema, os guias de onda difrativos podem alcançar a expansão bidimensional da pupila, ampliando a pupila de saída enquanto mantêm um tamanho compacto e um amplo campo de visão. Isto aumenta efetivamente a amplitude do movimento ocular em ambas as direções, proporcionando uma maior sensação de imersão e uma experiência visual aprimorada, ao mesmo tempo que acomoda diferentes distâncias interpupilares. Isso representa a segunda função central dos guias de onda difrativos.

Geralmente, existem duas abordagens para implementar a expansão bidimensional da pupila. A primeira envolve o uso de três grades unidimensionais (ou seja, grade de acoplamento, grade de dobra e grade de acoplamento). A segunda abordagem emprega uma grade unidimensional (grade de acoplamento) e uma grade bidimensional (grade de acoplamento).

Na primeira abordagem, a luz emitida pelo motor óptico é acoplada ao guia de ondas através da grade de acoplamento. A luz então sofre reflexão interna total e atinge a grade de curvatura, onde uma parte da luz é redirecionada para a grade de acoplamento, enquanto a luz restante continua a se propagar através da reflexão. Esta luz atingirá novamente a grade de flexão e outra parte será redirecionada para a grade de acoplamento. Este processo é repetido para alcançar a expansão unidimensional da pupila.

Finalmente, a luz que atinge a rede de acoplamento terá parte dela difratada no olho, enquanto a luz restante continua a se propagar através da reflexão, interagindo novamente com a rede de acoplamento. Este processo resulta em outra direção de expansão unidimensional da pupila. Quando essas duas expansões unidimensionais são combinadas, elas criam uma expansão bidimensional da pupila.

Na segunda abordagem, o processo também começa acoplando a luz emitida pelo motor óptico ao guia de ondas por meio da grade de acoplamento. A luz então sofre reflexão interna total e atinge a grade de acoplamento bidimensional. Neste ponto, uma parte da luz é difratada para o olho, enquanto a luz restante é dividida e continua a se propagar através da reflexão nas direções horizontal e vertical.

A luz irá então interagir novamente com a grade de acoplamento, onde outra porção é difratada para o olho. Este processo é repetido, conseguindo efetivamente a expansão bidimensional da pupila.

O texto acima descreve os processos físicos dos esquemas bidimensionais de expansão da pupila. Em comparação, o primeiro esquema é relativamente mais simples em termos de projeto e fabricação do guia de ondas difrativo, mas ocupa mais área geral da lente. O segundo esquema, por outro lado, requer o uso de grades bidimensionais, que são mais complexas de projetar e fabricar, tornando sua implementação mais desafiadora. No entanto, esta abordagem resulta numa estrutura geral mais compacta, permitindo uma redução na área da lente.

Ao empregar a expansão bidimensional da pupila, podemos não apenas aumentar a amplitude de movimento ocular e melhorar a imersão do usuário, mas também reduzir o peso e as dimensões do motor óptico nas direções horizontal e vertical, tornando os óculos AR mais leves e adaptáveis.

É importante notar que, embora a expansão bidimensional da pupila replique a imagem várias vezes, na verdade percebemos apenas uma imagem, e não várias imagens. Isso ocorre porque a imagem transmitida pela rede de acoplamento não é uma imagem real, mas sim virtual. Além disso, o cérebro humano tende a se enganar seguindo a extensa linha de visão dos feixes de luz que vê. Os feixes de luz gerados pela expansão da pupila correspondem a diferentes ângulos da mesma imagem virtual, portanto, independentemente de quantas posições diferentes dos feixes de luz expandidos o olho percebe, eles retornarão à mesma imagem com base na linha de visão estendida.

Por exemplo, é semelhante a observar uma vela através de um espelho plano. A luz da vela reflete no espelho e entra no olho, que então busca a imagem virtual a partir da linha estendida dos raios de luz. Os três raios de luz representados no diagrama podem ser entendidos como feixes de luz expandidos em três posições diferentes no guia de ondas difrativo. Conforme mostrado no diagrama, quando vemos estes três feixes de luz simultaneamente, todos apontam para a mesma imagem.

Além disso, existe um equívoco comum de que os guias de onda difrativos têm baixa eficiência energética. Na realidade, esta percepção surge durante o processo de obtenção da expansão bidimensional da pupila, onde o guia de ondas difrativo precisa dividir a energia luminosa em muitas partes e distribuí-la uniformemente em cada posição de saída da pupila. Como resultado, a energia por unidade de área é naturalmente reduzida. No entanto, se coletássemos todos os raios de luz do guia de ondas difrativo no olho, descobriríamos que sua eficiência energética não é baixa.

Assim, a principal razão para a percepção da baixa eficiência energética dos guias de onda difrativos é a expansão da pupila. No entanto, a expansão é uma característica significativa dos guias de onda difrativos e, como mencionado anteriormente, oferece inúmeras vantagens. Portanto, é essencial maximizar a eficiência energética, mantendo um certo nível de expansão da pupila.

02 Três direções principais de otimização para guias de onda difrativos

1. Otimizando a eficiência da difração de luz

Conforme mencionado anteriormente, muitas pessoas percebem que os guias de onda difrativos têm baixa eficiência energética. Para resolver este problema, é necessário melhorar a eficiência energética, otimizando a eficiência de difração da luz, mantendo um certo nível de expansão da pupila.

Como o tamanho das redes em nanoescala é comparável ao comprimento de onda da luz, é essencial tratar a luz não como raios comuns, mas como ondas eletromagnéticas durante a propagação. Quando a luz atinge a grade, ela é dividida em várias direções diferentes (ordens de difração) e, inevitavelmente, parte da energia luminosa é perdida no processo.

Para garantir que a maior parte da energia luminosa seja acoplada ao guia de ondas difrativo, normalmente selecionamos uma ordem de difração específica diferente de zero (que atenda às condições de reflexão interna total) como a ordem de funcionamento do guia de ondas difrativo. Ao controlar com precisão parâmetros como período de grade, ciclo de trabalho, profundidade da ranhura e ângulo da parede lateral, podemos otimizar a eficiência de difração da luz, concentrando a maior parte da energia luminosa nesta ordem de trabalho. Isto, por sua vez, aumenta a eficiência energética e permite aumentar o brilho da imagem.

2. Otimizando a eficiência da difração para diferentes ângulos de incidente

Outro fator importante a considerar ao otimizar a grade é o impacto do ângulo de incidência da luz na eficiência da difração.

Como a imagem projetada pelo motor óptico forma uma superfície de luz, a luz de diferentes posições nesta superfície entra no guia de ondas difrativo em ângulos variados. Para guias de onda difrativos, diferentes ângulos de incidência resultam em diferentes eficiências de difração, levando a inconsistências no brilho geral da imagem.

Portanto, além de otimizar a eficiência de difração para uma ordem de difração específica, também é essencial otimizar a eficiência de difração da luz em vários ângulos de incidência para garantir brilho uniforme.

3. Otimizando a eficiência de difração para diferentes comprimentos de onda

Diferentes cores de luz têm comprimentos de onda variados, o que afeta sua eficiência de difração. Além disso, os diferentes comprimentos de onda resultam em diferentes ângulos de difração, o que significa que durante o processo de expansão da pupila, a frequência de interação das diferentes cores da luz com a rede de acoplamento também irá variar. Esses dois fatores tornam difícil que cada cor de luz entre no olho com proporções iguais de energia, resultando em problemas de uniformidade de cor. Assim, é difícil obter uma boa uniformidade de cores em imagens usando um guia de onda difrativo de camada única.

Para garantir que a luz de diferentes comprimentos de onda saia com proporções iguais de energia, normalmente é empregado um empilhamento multicamadas (duas camadas ou mais) de guias de onda difrativos. Cada camada do guia de ondas difrativo é otimizada para controlar e aumentar a energia para uma faixa de comprimento de onda específica, ao mesmo tempo que suprime a interferência entre as camadas. Essa abordagem garante que a luz de diferentes comprimentos de onda entre no olho com proporções iguais de energia, melhorando a uniformidade da cor e exibindo imagens normais e vibrantes.

03 Resumo

Por um lado, os guias de onda difrativos têm duas funções principais: transferência isométrica de imagem e expansão bidimensional da pupila. Com base nessas funções, eles permitem que os óculos AR sejam leves e finos, ao mesmo tempo que acomodam uma gama mais ampla de usuários, proporcionando uma forte sensação de imersão e uma excelente experiência visual. Além disso, a integração de processos semicondutores aumenta a capacidade de fabricação de guias de onda difrativos, estabelecendo uma base sólida para que os óculos AR entrem no mercado consumidor.

Por outro lado, como tecnologia de exibição convencional para óculos AR, os guias de onda difrativos oferecem grande potencial, mas também apresentam complexidade significativa. A otimização da eficiência da difração deve ser considerada sob vários aspectos, incluindo ordens de difração, ângulos de incidência e comprimentos de onda.

Com avanços contínuos em tecnologia e maior otimização de desempenho, os guias de onda difrativos AR estão preparados para trazer óculos AR para as residências, brilhando intensamente na era do metaverso.