Cum funcționează tehnologia ghidului de undă difractiv pe afișajul ochelarilor AR

În articolul nostru anterior, „Ce este ghidul de undă difractiv AR?”, am explicat principiile fundamentale ale ghidurilor de undă difractive și am evidențiat diferențele dintre ghidurile de undă ale rețelei de relief de suprafață și ghidurile de undă ale rețelei holografice de volum. Astăzi, vom aprofunda funcțiile de bază și direcțiile de optimizare ale ghidurilor de undă difractive, discutând de ce ghidurile de undă difractive bazate pe rețele de relief de suprafață apar ca tehnologia de afișare principală pentru ochelarii AR.

01 Funcțiile de bază ale ghidurilor de undă difractive

1. Transfer izometric de imagine

Din articolele noastre anterioare, știm că, pentru ca un ghid de undă difractiv să direcționeze lumina emisă de un sistem de microproiecție (motor optic) în ochiul uman, acesta trebuie să sufere procese de cuplare și cuplare. Mai exact, lumina emisă de motorul optic intră în ghidul de undă plat prin rețeaua de cuplare, se propagă în interiorul acestuia prin reflexie internă totală și este în final transmisă ochiului prin rețeaua de cuplare.

Cel mai important aspect al acestui proces este reflecția internă totală. Dar ce este exact reflectarea internă totală?

Reflexia internă totală apare atunci când lumina se deplasează de la un mediu cu un indice de refracție mai mare la unul cu un indice de refracție mai mic, iar unghiul de incidență este mai mare sau egal cu unghiul critic. Când sunt îndeplinite condițiile pentru reflexia internă totală, lumina se va propaga continuu prin ghidul de undă plat prin reflexie, fără a fi transmisă în exterior, permițând astfel modificarea direcției luminii. Un fenomen natural binecunoscut rezultat din reflexia internă totală este mirajul.

De obicei, ochelarii AR produc imagini folosind un motor optic. Cu toate acestea, plasarea motorului optic direct pe lentilă ar împiedica vederea utilizatorului și ar fi neatrăgătoare din punct de vedere vizual. Mai mult decât atât, bazarea exclusiv pe motorul optic nu ar obține efectul dorit de îmbinare a imaginilor virtuale și reale.

Folosind principiul reflexiei interne totale, ghidurile de undă difractive pot efectua transfer izometric al imaginilor proiectate de motorul optic, permițând poziționării motorului optic în partea superioară sau laterală a ochelarilor. Această abordare nu numai că evită obstrucționarea liniei vizuale a utilizatorului, dar, de asemenea, datorită ratei ridicate de transmisie a luminii și profilului subțire al ghidului de undă difractivă, aduce ochelarii AR mai aproape ca aspect de ochelarii obișnuiți, obținând în același timp efectul dorit de integrare virtual-real.

Este important de reținut că ghidul de undă difractiv este responsabil exclusiv pentru transferul imaginii către ochi și nu afectează conținutul imaginii în sine, ceea ce înseamnă că nu are capacitatea de a mări sau reduce dimensiunea imaginii.

2. Expansiunea pupilă bidimensională

Soluțiile standard de afișare optică nu au de obicei capabilități de extindere a pupilei, limitând vizualizatorul să vadă imagini numai în intervalul mărimii pupilei de ieșire a motorului optic (adică, intervalul de mișcare a ochilor). De exemplu, dacă pupila de ieșire a motorului optic măsoară φ5mm, utilizatorul poate vizualiza imaginea doar într-un interval de φ5mm. Acest lucru este asemănător cu privirea asupra lumii printr-un vizor, ceea ce diminuează semnificativ imersiunea și experiența vizuală.

Pentru a rezolva această problemă, ghidurile de undă difractive pot obține o expansiune bidimensională a pupilei, mărind pupilei de ieșire, menținând în același timp o dimensiune compactă și un câmp vizual larg. Acest lucru mărește în mod eficient intervalul de mișcare a ochilor în ambele direcții, oferind un sentiment sporit de imersiune și o experiență vizuală îmbunătățită, acomodând în același timp diferite distanțe interpupilare. Aceasta reprezintă a doua funcție de bază a ghidurilor de undă difractive.

În general, există două abordări pentru implementarea expansiunii bidimensionale a elevilor. Prima implică utilizarea a trei grătare unidimensionale (adică, grătar de cuplare, grătar de îndoire și grătar de cuplare). A doua abordare folosește o rețea unidimensională (rețea de cuplare) și o rețea bidimensională (rețea de cuplare).

În prima abordare, lumina emisă de motorul optic este cuplată în ghidul de undă prin rețeaua de cuplare. Lumina suferă apoi o reflexie internă totală și lovește rețeaua de îndoire, unde o parte a luminii este redirecționată către rețeaua de cuplare, în timp ce lumina rămasă continuă să se propage înainte prin reflexie. Această lumină va lovi din nou grătarul de îndoire, iar o altă porțiune va fi redirecționată către grătarul de cuplare. Acest proces se repetă pentru a obține expansiunea unidimensională a pupilei.

În cele din urmă, lumina care ajunge la rețeaua de cuplare va avea o parte din ea difractată în ochi, în timp ce lumina rămasă continuă să se propage înainte prin reflexie, interacționând din nou cu rețeaua de cuplare. Acest proces are ca rezultat o altă direcție de expansiune unidimensională a pupilei. Când aceste două expansiuni unidimensionale sunt combinate, ele creează o expansiune bidimensională a pupilei.

În a doua abordare, procesul începe, de asemenea, prin cuplarea luminii emise de motorul optic în ghidul de undă folosind rețeaua de cuplare. Lumina suferă apoi o reflexie internă totală și lovește rețeaua de cuplare bidimensională. În acest moment, o parte a luminii este difractată în ochi, în timp ce lumina rămasă este divizată și continuă să se propage înainte prin reflexie atât în ​​direcția orizontală, cât și în cea verticală.

Lumina va interacționa din nou cu rețeaua de cuplare, unde o altă porțiune este difractată în ochi. Acest proces se repetă, realizând în mod eficient expansiunea bidimensională a pupilei.

Cele de mai sus descriu procesele fizice ale schemelor bidimensionale de expansiune a elevilor. În comparație, prima schemă este relativ mai simplă în ceea ce privește proiectarea și fabricarea ghidului de undă difractivă, dar ocupă o suprafață mai mare a lentilei. A doua schemă, pe de altă parte, necesită utilizarea de grătare bidimensionale, care sunt mai complexe de proiectat și fabricat, ceea ce face mai dificil de implementat. Cu toate acestea, această abordare are ca rezultat o structură generală mai compactă, permițând o reducere a zonei lentilelor.

Folosind expansiunea bidimensională a pupilei, putem nu numai să creștem intervalul de mișcare a ochilor și să îmbunătățim imersiunea utilizatorului, ci și să reducem greutatea și dimensiunile motorului optic atât în ​​direcția orizontală, cât și în cea verticală, făcând ochelarii AR mai ușori și mai adaptabili.

Este important de remarcat faptul că, în timp ce expansiunea bidimensională a pupilei reproduce imaginea de mai multe ori, noi percepem de fapt o singură imagine, nu mai multe imagini. Acest lucru se datorează faptului că imaginea transmisă de rețeaua de cuplare nu este o imagine reală, ci una virtuală. În plus, creierul uman tinde să se înșele pe sine urmând linia de vedere extinsă a fasciculelor de lumină pe care le vede. Fasciculele de lumină generate de expansiunea pupilei corespund unor unghiuri diferite ale aceleiași imagini virtuale, așa că, indiferent de câte poziții diferite de fascicule de lumină extinse le percepe ochiul, ele vor urmări înapoi la aceeași imagine pe baza liniei de vedere extinse.

De exemplu, este similar cu observarea unei lumânări printr-o oglindă plană. Lumina de la lumânare se reflectă în oglindă și intră în ochi, care apoi caută imaginea virtuală pe baza liniei extinse a razelor de lumină. Cele trei raze de lumină descrise în diagramă pot fi înțelese ca fascicule de lumină extinse în trei poziții diferite în ghidul de undă difractivă. După cum se arată în diagramă, când vedem aceste trei fascicule de lumină simultan, toate indică aceeași imagine.

În plus, există o concepție greșită comună că ghidurile de undă difractivă au o eficiență energetică scăzută. În realitate, această percepție apare în timpul procesului de realizare a expansiunii pupilei bidimensionale, în care ghidul de undă difractiv trebuie să împartă energia luminii în mai multe părți și să o distribuie uniform în fiecare poziție a pupilei de ieșire. Ca urmare, energia pe unitatea de suprafață este redusă în mod natural. Cu toate acestea, dacă ar fi să colectăm toate razele de lumină din ghidul de undă difractiv în ochi, am constata că eficiența sa energetică nu este de fapt scăzută.

Astfel, motivul principal pentru eficiența energetică scăzută percepută a ghidurilor de undă difractivă este expansiunea pupilei. Cu toate acestea, expansiunea este o caracteristică semnificativă a ghidurilor de undă difractivă și, așa cum sa menționat anterior, oferă numeroase avantaje. Prin urmare, este esențial să maximizăm eficiența energetică, menținând în același timp un anumit nivel de expansiune a elevilor.

02 Trei direcții majore de optimizare pentru ghidurile de undă difractive

1. Optimizarea eficienței difracției luminii

După cum am menționat mai devreme, mulți oameni percep că ghidurile de undă difractivă au o eficiență energetică scăzută. Pentru a aborda această problemă, este necesară îmbunătățirea eficienței energetice prin optimizarea eficienței de difracție a luminii, menținând în același timp un anumit nivel de expansiune a pupilei.

Deoarece dimensiunea caracteristicilor rețelelor la scară nanometrică este comparabilă cu lungimea de undă a luminii, este esențial să tratați lumina nu ca raze obișnuite, ci ca unde electromagnetice în timpul propagării. Când lumina lovește rețeaua, aceasta este împărțită în mai multe direcții diferite (ordine de difracție) și, inevitabil, o parte din energia luminii se pierde în acest proces.

Pentru a ne asigura că cea mai mare parte a energiei luminoase este cuplată în ghidul de undă difractiv, de obicei selectăm o ordine de difracție specifică diferită de zero (care îndeplinește condițiile totale de reflexie internă) ca ordine de funcționare a ghidului de undă difractivă. Prin controlul precis al parametrilor precum perioada de rețea, ciclul de funcționare, adâncimea canelurii și unghiul peretelui lateral, putem optimiza eficiența de difracție a luminii, concentrând cea mai mare parte a energiei luminii în această stare de funcționare. Acest lucru, la rândul său, îmbunătățește eficiența energetică și permite o luminozitate crescută a imaginii.

2. Optimizarea eficienței difracției pentru diferite unghiuri de incidente

Un alt factor important de luat în considerare la optimizarea rețelei este impactul unghiului incident al luminii asupra eficienței de difracție.

Deoarece imaginea proiectată de motorul optic formează o suprafață luminoasă, lumina din diferite poziții de pe această suprafață intră în ghidul de undă difractiv la unghiuri diferite. Pentru ghidurile de undă difractive, unghiurile incidente diferite au ca rezultat eficiențe diferite de difracție, ceea ce duce la inconsecvențe în luminozitatea generală a imaginii.

Prin urmare, pe lângă optimizarea eficienței de difracție pentru o anumită ordine de difracție, este, de asemenea, esențial să se optimizeze eficiența de difracție pentru lumină la diferite unghiuri de incidente pentru a asigura o luminozitate uniformă.

3. Optimizarea eficienței de difracție pentru diferite lungimi de undă

Diferitele culori de lumină au lungimi de undă diferite, ceea ce afectează eficiența lor de difracție. În plus, diferitele lungimi de undă au ca rezultat unghiuri de difracție diferite, ceea ce înseamnă că în timpul procesului de expansiune a pupilei, frecvența de interacțiune a diferitelor culori de lumină cu rețeaua de cuplare va varia, de asemenea. Acești doi factori fac ca fiecare culoare de lumină să intre în ochi cu proporții egale de energie, ceea ce duce la probleme cu uniformitatea culorii. Astfel, obținerea unei uniformități bune a culorii în imagini folosind un ghid de undă difractiv cu un singur strat este dificilă.

Pentru a se asigura că lumina de lungimi de undă diferite iese cu proporții de energie egale, se utilizează de obicei o stivuire multistrat (două straturi sau mai multe) de ghiduri de undă difractive. Fiecare strat al ghidului de undă difractiv este optimizat pentru a controla și a spori energia pentru o gamă specifică de lungimi de undă, suprimând în același timp diafonia între straturi. Această abordare asigură că lumina de diferite lungimi de undă pătrunde în cele din urmă în ochi cu proporții de energie egale, îmbunătățind uniformitatea culorii și afișând imagini normale, vibrante.

03 Rezumat

Pe de o parte, ghidurile de undă difractive au două funcții de bază: transferul izometric al imaginii și extinderea pupilei bidimensionale. Pe baza acestor funcții, ele permit ochelarii AR să fie ușoare și subțiri, în timp ce găzduiesc o gamă mai largă de utilizatori, oferind un sentiment puternic de imersiune și o experiență vizuală excelentă. În plus, integrarea proceselor semiconductoare îmbunătățește fabricabilitatea ghidurilor de undă difractivă, punând o bază solidă pentru ca ochelarii AR să intre pe piața de consum.

Pe de altă parte, ca tehnologie de afișare principală pentru ochelarii AR, ghidurile de undă difractivă oferă un potențial mare, dar prezintă și o complexitate semnificativă. Optimizarea eficienței difracției trebuie luată în considerare din mai multe aspecte, inclusiv ordinele de difracție, unghiurile de incidente și lungimile de undă.

Cu progresele continue ale tehnologiei și optimizarea ulterioară a performanței, ghidurile de undă difractivă AR sunt gata să aducă ochelarii AR în gospodării, strălucind puternic în epoca metaversului.