O que é guia de onda difrativo AR?

O guia de ondas difrativo é uma solução de exibição óptica convencional para óculos AR. Muitos dispositivos AR adotam esta tecnologia. Por que os principais fabricantes de hardware AR gostam tanto de guias de onda difrativos? O que exatamente é um guia de ondas difrativo?

01 Definição de guia de onda difrativo

Para obter uma compreensão mais profunda, podemos dividir o termo “guia de ondas difrativo” em duas partes: difração e guia de ondas.

Normalmente, sabemos que a luz pode se propagar de três maneiras: propagação em linha reta, reflexão e refração. Por exemplo, miras infravermelhas, periscópios e a maneira como um canudo fica dobrado quando colocado na água são todos baseados nesses três princípios. A difração, por outro lado, é a quarta forma pela qual a luz pode se propagar.

No século XVII, o professor de matemática italiano Francesco Grimaldi descobriu e cunhou o termo “difração”, que vem da palavra latina “diffringere”, que significa “quebrar em pedaços”.

Em seus experimentos, ele passou um feixe de luz através de duas pequenas aberturas e em uma tela em uma sala escura, observando um padrão de listras claras e escuras nas bordas da projeção. Portanto, a difração refere-se ao fenômeno físico no qual a direção da propagação das ondas muda ao encontrar obstáculos ou fendas.

Devido ao fato de que efeitos de difração perceptíveis só podem ser observados quando o tamanho de um obstáculo ou a largura de uma fenda é comparável ou menor que o comprimento de onda da onda, muitas vezes é difícil ver a difração da luz em nossas vidas diárias. Porém, sob certas condições especiais, podemos observá-lo. Por exemplo, o fenômeno da “glória” visto no céu, que aparece como um halo colorido em torno das sombras, é resultado da difração da luz solar através de pequenas gotículas de água e cristais de gelo nas nuvens.

Tendo discutido a difração, o que exatamente é um guia de ondas?

Em nosso mundo, existem vários tipos de ondas, incluindo ondas de luz, ondas sonoras e ondas eletromagnéticas.

Um guia de ondas é um dispositivo que transmite essas ondas de um local para outro. Assim, um guia de ondas de luz é um meio ou dispositivo que guia as ondas de luz à medida que elas se propagam.

Com uma compreensão tanto da difração quanto dos guias de ondas, podemos definir um guia de ondas difrativo: simplificando, é um meio que utiliza a difração da luz para guiar as ondas de luz enquanto elas viajam.

Guia de onda difrativo

Para explicar melhor, um guia de onda difrativo é projetado para utilizar as propriedades de difração das grades para criar um “caminho de luz”, permitindo que a luz se propague ao longo de uma rota predeterminada e guiando a luz emitida por um sistema de microprojeção para o olho humano.

A rede difrativa, um elemento óptico com estrutura periódica, é o componente central do guia de ondas difrativo. Com base no tipo de grade usada, os guias de onda difrativos podem ser categorizados em dois tipos: guias de onda de grade de relevo de superfície e guias de onda de grade holográfica de volume.

02 Guia de onda de grade de relevo de superfície

As grades de relevo de superfície são criadas 'esculpendo' picos altos e vales baixos na superfície de um material por meio de processos como fotolitografia e gravação. Esta técnica de fabricação atinge uma estrutura periódica que atende ao desempenho óptico exigido.

Essas grades manipulam a luz que interage com elas, permitindo difração e orientação eficazes da luz dentro do guia de ondas. As grades de relevo superficial são amplamente utilizadas devido à sua simplicidade na fabricação e à sua capacidade de serem integradas em vários sistemas ópticos.

Imagem SEM da grade de relevo de superfície

Guia de onda de grade de relevo de superfície para guiar a luz emitida por um sistema de microprojeção (motor óptico) para o olho humano, a luz deve passar pelos processos de acoplamento e acoplamento. Especificamente, a luz emitida pelo motor óptico entra no guia de ondas através da grade de entrada, propaga-se através da reflexão interna total dentro do guia de ondas plano e é finalmente transmitida ao olho humano pela grade de saída. As grades de entrada e saída usadas aqui são grades de relevo superficial.

Devido às características em nanoescala da rede serem comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz, a luz não deve ser considerada como raios comuns, mas sim tratada como ondas eletromagnéticas. Quando a luz atinge a grade, ela sofre difração de múltiplas ordens.

Por exemplo, se o motor óptico emitir luz monocromática (como a luz verde), esta luz será dividida em vários feixes viajando em direções diferentes (ordens de difração) ao atingir a grade de entrada. Uma dessas ordens de difração diferentes de zero (por exemplo, ordem +1) satisfará a condição de reflexão interna total do guia de ondas plano, permitindo que ele entre e se propague através do guia de ondas através da reflexão interna total. Esta ordem de difração específica é chamada de ordem de funcionamento do guia de ondas difrativo. Ao controlar com precisão parâmetros como período, ciclo de trabalho, profundidade da ranhura e ângulo da parede lateral da grade, a maior parte da energia luminosa pode ser concentrada no funcionamento do guia de ondas difrativo, acoplando efetivamente a maior parte da energia luminosa no guia de ondas. Este processo é conhecido como processo de acoplamento do guia de ondas difrativo.

Correspondentemente, quando a luz que está se propagando através da reflexão interna total dentro do guia de ondas difrativo encontra a rede de saída, ela também produzirá diversas ordens de difração. Uma dessas ordens diferentes de zero sairá do guia de ondas difrativo em uma direção específica, entrando posteriormente no olho humano. Isso é conhecido como processo de acoplamento do guia de ondas difrativo.

Caso o motor óptico emita luz colorida, além dos processos citados, haverá outras complexidades envolvidas. Devido aos diferentes comprimentos de onda das diferentes cores de luz, suas eficiências de difração também serão diferentes. Consequentemente, durante a propagação, a energia de cada cor da luz pode ser perdida em graus variados, resultando em dispersão. Ao otimizar vários parâmetros da grade, a grade pode controlar com precisão a energia de diferentes comprimentos de onda de luz, minimizando assim os problemas de dispersão e, em última análise, permitindo-nos ver imagens com cores precisas.

Para resolver os problemas complexos da difração de redes, a empresa desenvolveu um conjunto abrangente de software de cálculo para diferentes tipos de redes, baseado no Método Modal de Fourier (FMM), que pode calcular com rapidez e precisão problemas de difração relacionados às redes.

Além disso, a empresa possui um centro de processamento mestre de grades totalmente equipado e um sistema completo de produção em massa para guias de ondas difrativas, conseguindo uma estreita coordenação entre projeto e fabricação. Ao projetar grades, podem ser levadas em consideração as capacidades de processamento do mestre e as técnicas de produção, permitindo ajustes e otimizações oportunas quando surgem problemas, resultando em um rápido ciclo de iteração do produto.

O guia de ondas difrativo, que é altamente preferido pelos principais fabricantes de hardware AR, refere-se especificamente ao guia de ondas de grade de relevo de superfície. Suas vantagens incluem um design fino, grande campo de visão, ampla faixa de movimento ocular e baixos custos de produção em massa, tornando-o amplamente considerado como a principal rota de tecnologia de exibição na indústria de AR.

Guia de onda de grade holográfica de 03 volumes

O processo de propagação da luz em um guia de onda com grade holográfica volumétrica é fundamentalmente semelhante ao de um guia de onda com grade de relevo superficial.

A principal diferença está em como a grade holográfica volumétrica é criada. Em vez de ser “esculpida”, a grade holográfica volumétrica é formada pela exposição de um filme fotorresistente em um substrato a padrões de interferência criados por dois feixes de luz coerentes. Este processo gera uma distribuição espacial periódica com índices de refração variados em nível molecular. As redes holográficas de volume normalmente operam sob condições de difração de Bragg.

Quais são as condições de difração de Bragg?

Em 1912, o cientista alemão Max von Laue descobriu o fenômeno da difração de raios X em cristais, lançando as bases para o estudo da física da difração de raios X. Nesse mesmo ano, Lawrence Bragg, através de repetidos estudos no Laboratório Cavendish, concluiu que este fenômeno é um tipo de efeito de difração de ondas.

Em 1913, Lawrence Bragg e seu pai, Henry Bragg, propuseram conjuntamente a forma de difração de raios X de Bragg (conhecida como difração de Bragg). Eles descobriram que quando as ondas de partículas subatômicas entram em um cristal, se o comprimento de onda das ondas de partículas estiver próximo da distância entre os átomos no cristal, as ondas de partículas serão espalhadas pelos átomos de forma espelhada. Esse espalhamento resultará em interferência construtiva de acordo com a lei de Bragg, formando picos concentrados de ondas (conhecidos como picos de Bragg). As condições de Bragg são os critérios que devem ser atendidos para que ocorra interferência construtiva.

Diagrama esquemático da difração de Bragg

Com base no princípio da difração de Bragg, quando as ondas de luz atendem às condições de Bragg, as redes holográficas volumétricas podem atingir uma eficiência de difração muito alta. No entanto, as condições de Bragg impõem requisitos rigorosos quanto ao ângulo e comprimento de onda da luz incidente. Se estas condições não forem satisfeitas, a eficiência da difração pode cair rapidamente. Isso resulta em guias de onda de grade holográfica de volume que lutam para alcançar uma boa uniformidade de cores, o que não atende às demandas do mercado.

Atualmente, os guias de onda de grade holográfica de volume apresentam lacunas significativas em comparação com os guias de onda de grade de relevo de superfície em termos de desempenho de exibição, comercialização de produtos e suporte industrial.

04 Resumo

Os guias de onda difrativos AR utilizam as características de difração das grades para projetar “caminhos de luz”, permitindo que a luz emitida por sistemas de microprojeção seja direcionada para o olho humano. Com base no tipo de rede de difração usada, os guias de onda difrativos podem ser classificados em guias de ondas de grade de relevo de superfície e guias de onda de grade holográfica de volume.

Guias de onda com grade de relevo de superfície oferecem vantagens como serem leves, terem um grande campo de visão, uma ampla faixa de movimento ocular e baixos custos de produção em massa. Conseqüentemente, eles são amplamente considerados como a principal tecnologia de exibição na indústria de AR. Embora os guias de ondas de grade holográfica volumétrica exibam uma eficiência de difração muito alta, eles lutam com a uniformidade da cor devido às rigorosas condições de difração de Bragg e ainda estão nos estágios iniciais de desenvolvimento tecnológico, exigindo avanços significativos para alcançar avanços.

Com os contínuos avanços tecnológicos e melhorias no processamento, os guias de onda difrativos AR baseados em grades de relevo de superfície estão começando a entrar no mercado consumidor. Acredita-se que, no futuro, eles fornecerão experiências excepcionais de exibição de AR para mais fabricantes de hardware de AR.