Ce este ghidul de undă difractiv AR?

Ghidul de undă difractivă este o soluție de afișare optică pentru ochelarii AR. Multe dispozitive AR adoptă această tehnologie. De ce marii producători de hardware AR sunt atât de pasionați de ghidurile de undă difractive? Ce este exact un ghid de undă difractiv?

01 Definiția ghidului de undă difractiv

Pentru a obține o înțelegere mai profundă, putem descompune termenul „ghid de undă difractiv” în două părți: difracție și ghid de undă.

De obicei, știm că lumina se poate propaga în trei moduri: propagare în linie dreaptă, reflexie și refracție. De exemplu, vizorul cu infraroșu, periscoapele și felul în care un pai arată îndoit atunci când este plasat în apă se bazează toate pe aceste trei principii. Difracția, pe de altă parte, este a patra cale prin care lumina se poate propaga.

În secolul al XVII-lea, profesorul italian de matematică Francesco Grimaldi a descoperit și inventat termenul „difracție”, care provine din cuvântul latin „diffringere”, care înseamnă „a rupe în bucăți”. Aceasta se referă la direcția inițială de propagare a undelor fiind „spărțită” și îndoită în direcții diferite.

În experimentele sale, el a trecut un fascicul de lumină prin două deschideri mici și pe un ecran într-o cameră întunecată, observând un model de dungi deschise și întunecate la marginile proiecției. Prin urmare, difracția se referă la fenomenul fizic în care direcția de propagare a undei se schimbă atunci când întâlnesc obstacole sau fante.

Datorită faptului că efectele de difracție vizibile pot fi observate numai atunci când dimensiunea unui obstacol sau lățimea unei fante este comparabilă sau mai mică decât lungimea de undă a undei, este adesea dificil să vedem difracția luminii în viața noastră de zi cu zi. Cu toate acestea, în anumite condiții speciale, îl putem observa. De exemplu, fenomenul „glorie” văzut pe cer, care apare ca un halou colorat în jurul umbrelor, este rezultatul difracției luminii soarelui prin mici picături de apă și cristale de gheață din nori.

După ce am discutat despre difracție, ce este exact un ghid de undă?

În lumea noastră, există diferite tipuri de unde, inclusiv unde luminoase, unde sonore și unde electromagnetice.

Un ghid de undă este un dispozitiv care transmite aceste unde dintr-o locație în alta. Astfel, un ghid de undă luminoasă este un mediu sau un dispozitiv care ghidează undele luminoase pe măsură ce se propagă.

Cu o înțelegere atât a difracției, cât și a ghidurilor de undă, putem defini un ghid de undă difractiv: pur și simplu, este un mediu care utilizează difracția luminii pentru a ghida undele luminoase pe măsură ce se deplasează.

Ghid de undă difractiv

Pentru a explica în continuare, un ghid de undă difractiv este proiectat pentru a utiliza proprietățile de difracție ale rețelelor pentru a crea o „cale luminoasă”, permițând luminii să se propage de-a lungul unui traseu predeterminat și ghidând lumina emisă de un sistem de microproiecție în ochiul uman.

Rețeaua de difracție, un element optic cu o structură periodică, este componenta centrală a ghidului de undă difractivă. Pe baza tipului de rețea utilizat, ghidurile de undă difractive pot fi clasificate în două tipuri: ghiduri de undă cu rețea de relief de suprafață și ghiduri de undă cu rețea holografică de volum.

02 Ghid de undă cu grătar de relief de suprafață

Grilajele de relief de suprafață sunt create prin 'sculptarea' vârfurilor înalte și văilor joase pe suprafața unui material prin procese precum fotolitografia și gravura. Această tehnică de fabricație realizează o structură periodică care îndeplinește performanța optică necesară.

Aceste rețele manipulează lumina care interacționează cu ele, permițând difracția eficientă și ghidarea luminii în ghidul de undă. Grilajele de relief de suprafață sunt utilizate pe scară largă datorită simplității lor în fabricare și a capacității lor de a fi integrate în diferite sisteme optice.

Imagine SEM a grătarului de relief de suprafață

Ghid de undă cu grătar de relief de suprafață pentru a ghida lumina emisă de un sistem de microproiecție (motor optic) în ochiul uman, lumina trebuie să treacă prin procesele de cuplare și cuplare. Mai exact, lumina emisă de motorul optic intră în ghidul de undă prin rețeaua de intrare, se propagă prin reflexia internă totală în ghidul de undă plat și este în cele din urmă transmisă ochiului uman prin rețeaua de ieșire. Grilajele de intrare și ieșire utilizate aici sunt grătare de relief de suprafață.

Datorită faptului că caracteristicile la scară nanometrică ale rețelei sunt comparabile cu lungimea de undă a luminii, lumina nu trebuie considerată raze obișnuite, ci mai degrabă tratată ca unde electromagnetice. Când lumina lovește rețeaua, aceasta suferă o difracție cu mai multe ordine.

De exemplu, dacă motorul optic emite lumină monocromatică (cum ar fi lumina verde), această lumină va fi împărțită în mai multe fascicule care se deplasează în direcții diferite (ordine de difracție) la atingerea rețelei de intrare. Unul dintre aceste ordine de difracție diferită de zero (de exemplu, ordinul +1) va satisface condiția de reflexie internă totală a ghidului de undă plat, permițându-i să intre și să se propagă prin ghidul de undă prin reflexie internă totală. Această ordine de difracție specifică este denumită ordinea de funcționare a ghidului de undă difractivă. Prin controlul precis al parametrilor cum ar fi perioada, ciclul de funcționare, adâncimea canelurii și unghiul peretelui lateral al rețelei, cea mai mare parte a energiei luminoase poate fi concentrată în starea de funcționare a ghidului de undă difractivă, cuplând efectiv cea mai mare parte a energiei luminii în ghidul de undă. Acest proces este cunoscut ca procesul de cuplare a ghidului de undă difractiv.

În mod corespunzător, atunci când lumina care se propagă prin reflexia internă totală în ghidul de undă difractiv întâlnește rețeaua de ieșire, va produce, de asemenea, mai multe ordine de difracție. Unul dintre aceste ordine diferite de zero va ieși din ghidul de undă difractivă într-o direcție specifică, intrând ulterior în ochiul uman. Acesta este cunoscut ca procesul de cuplare a ghidului de undă difractiv.

Dacă motorul optic emite lumină colorată, pe lângă procesele menționate mai sus, vor fi implicate și alte complexități. Datorită lungimilor de undă variate ale diferitelor culori de lumină, eficiența lor de difracție va diferi, de asemenea. În consecință, în timpul propagării, energia fiecărei culori a luminii se poate pierde în grade diferite, rezultând dispersie. Prin optimizarea diverșilor parametri de rețea, rețeaua poate controla cu precizie energia diferitelor lungimi de undă de lumină, minimizând astfel problemele de dispersie și permițându-ne în cele din urmă să vedem imagini cu culori precise.

Pentru a aborda problemele complexe ale difracției prin rețele, compania a dezvoltat o suită cuprinzătoare de software de calcul pentru diferite tipuri de rețele, bazate pe Metoda Fourier Modal (FMM), care poate calcula rapid și precis problemele de difracție legate de rețele.

Mai mult, compania deține un centru de procesare master grating complet echipat și un sistem complet de producție în masă pentru ghiduri de undă difractive, realizând o coordonare strânsă între proiectare și producție. Atunci când se proiectează grătare, se pot lua în considerare capacitățile de procesare ale maestrului și tehnicile de producție, permițând ajustări și optimizări în timp util atunci când apar probleme, rezultând un ciclu rapid de iterare a produsului.

Ghidul de undă difractiv, care este foarte favorizat de marii producători de hardware AR, se referă în mod specific la ghidul de undă al rețelei de relief de suprafață. Avantajele sale includ un design subțire, un câmp vizual mare, o gamă largă de mișcare a ochilor și costuri reduse de producție în masă, ceea ce îl face considerat pe scară largă drept ruta principală a tehnologiei de afișare în industria AR.

03 Ghid de undă cu grătare holografică de volum

Procesul de propagare a luminii într-un ghid de undă cu rețea holografică de volum este în mod fundamental similar cu cel dintr-un ghid de undă cu rețea de relief de suprafață.

Diferența cheie constă în modul în care este creat grătarul holografic de volum. În loc să fie „sculptat”, grătarul holografic de volum este format prin expunerea unui film fotorezistent pe un substrat la modele de interferență create de două fascicule coerente de lumină. Acest proces generează o distribuție spațială periodică cu indici de refracție variați la nivel molecular. Rețelele holografice de volum funcționează de obicei în condiții de difracție Bragg.

Care sunt condițiile de difracție Bragg?

În 1912, omul de știință german Max von Laue a descoperit fenomenul difracției de raze X în cristale, punând bazele studiului fizicii difracției de raze X. În același an, Lawrence Bragg, prin studii repetate la Laboratorul Cavendish, a concluzionat că acest fenomen este un tip de efect de difracție a undelor.

În 1913, Lawrence Bragg și tatăl său, Henry Bragg, au propus împreună forma Bragg de difracție de raze X (cunoscută sub numele de difracție Bragg). Ei au descoperit că atunci când undele de particule subatomice intră într-un cristal, dacă lungimea de undă a undelor de particule este aproape de distanța dintre atomi din cristal, undele de particule vor fi împrăștiate de atomi într-o manieră asemănătoare oglinzii. Această împrăștiere va avea ca rezultat o interferență constructivă conform legii lui Bragg, formând vârfuri concentrate de unde (cunoscute sub numele de vârfuri Bragg). Condițiile Bragg sunt criteriile care trebuie îndeplinite pentru ca interferența constructivă să apară.

Diagrama schematică a difracției Bragg

Pe baza principiului difracției Bragg, atunci când undele luminoase îndeplinesc condițiile Bragg, rețelele holografice de volum pot atinge o eficiență de difracție foarte mare. Cu toate acestea, condițiile Bragg impun cerințe stricte privind unghiul și lungimea de undă a luminii incidente. Dacă aceste condiții nu sunt îndeplinite, eficiența de difracție poate scădea rapid. Acest lucru are ca rezultat ca ghidurile de undă cu grătare holografice de volum se luptă pentru a obține o uniformitate bună a culorii, care nu reușește să satisfacă cerințele pieței.

În prezent, ghidajele de undă cu rețea holografică de volum prezintă lacune semnificative în comparație cu ghidurile de undă cu rețea de relief de suprafață în ceea ce privește performanța de afișare, comercializarea produsului și suportul industrial.

04 Rezumat

Ghidurile de undă difractive AR utilizează caracteristicile de difracție ale rețelelor pentru a proiecta „căi de lumină”, permițând luminii emise de sistemele de microproiecție să fie direcționată în ochiul uman. Pe baza tipului de rețea de difracție utilizat, ghidurile de undă de difracție pot fi clasificate în ghiduri de undă cu rețea de relief de suprafață și ghiduri de undă cu rețea holografică de volum.

Ghidurile de undă cu grătare de relief de suprafață oferă avantaje precum faptul că sunt ușoare, au un câmp vizual mare, o gamă largă de mișcare a ochilor și costuri reduse de producție în masă. În consecință, sunt considerate pe scară largă ca tehnologia de afișare principală în industria AR. În timp ce ghidurile de undă cu rețea holografică de volum prezintă o eficiență de difracție foarte mare, ele se luptă cu uniformitatea culorii datorită condițiilor stricte de difracție Bragg și sunt încă în stadiile incipiente ale dezvoltării tehnologiei, necesitând progrese semnificative pentru a obține progrese.

Odată cu progresele tehnologice în curs și îmbunătățirile în procesare, ghidurile de undă difractivă AR bazate pe rețele de relief de suprafață încep să intre pe piața de consum. Se crede că, în viitor, vor oferi experiențe excepționale de afișare AR pentru mai mulți producători de hardware AR.