Новый подход к волноводам AR: зонирование на основе поляризации повышает однородность яркости прототипа до 70%
Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Время публикации: 6 ноября 2026 г. Происхождение: Сайт
Волноводам в очках AR требуется определенный запас для движения глаз — концепция, известная как «глазной ящик». Однако больший размер глазного ящика означает, что проецируемый свет распределяется по более широкой области, в то время как зрачок пользователя захватывает лишь небольшую его часть. Простое увеличение мощности легкого двигателя приведет к увеличению энергопотребления и большей тепловой нагрузке. Можно ли поддерживать функциональный диапазон обзора, освещая только ту область, которая действительно необходима в данный момент?
В статье Нильсена и др., опубликованной в журнале Advanced Photonics Research в 2026 году, предлагается конкретный подход: разделение области извлечения выходного зрачка на зоны, которые реагируют на различные состояния круговой поляризации, и использование входной поляризации для выбора активной зоны. Вместо одновременного освещения всего большого окуляра в этом методе используются «переключаемые меньшие окуляры», чтобы охватить больший полезный диапазон.
Где происходят потери при традиционном расширении выходных учеников?
В системах окологлазного дисплея (NED) волновод обычно получает изображение от оптического механизма через входной соединитель. Затем свет распространяется по волноводу за счет полного внутреннего отражения (TIR), а затем направляется на глаз пользователя выходным ответвителем. Чтобы гарантировать, что все поле зрения остается видимым даже при изменении положения глаза, выходной соединитель должен повторять выходной зрачок на большей площади. Проблема состоит в том, что каждый раз, когда световой луч взаимодействует с выходным ответвителем, часть его энергии может быть извлечена. Следовательно, по мере распространения света для последующих секций выходного ответвителя остается меньше энергии, что может привести к заметному градиенту яркости в окуляре.
В данной статье исследуются поляризационные объемные решетки (PVG), используемые в качестве выходных развязок. PVG обладают селективностью, основанной на направленности света с круговой поляризацией. Авторы делят то, что в противном случае было бы единой областью выхода, покрывающей всю протяженность глазного ящика, на два сегмента одинаковой длины: один реагирует на свет с левой круговой поляризацией (LCP), а другой — на свет с правой круговой поляризацией (RCP). При переключении входной поляризации свет направляется по определенным входным и выходным путям, освещая только выбранную полуобласть.
Важно различать два понятия, которые легко спутать: общую адресную дальность и освещаемую площадь в любой данный момент. Хотя два сегмента вместе покрывают первоначальную длину глазка, одновременно активен только один сегмент. Для практического продукта, позволяющего освещаемой области отслеживать зрачок, потребуется технология отслеживания глаз в сочетании с переключением поляризации с электронным управлением. Прототип, представленный в статье, не включает в себя такую замкнутую систему; вместо этого он использует линейный поляризатор и четвертьволновую пластину для ручного переключения поляризации.
Как проверить научную работу？
Авторы сначала сравнили конструкцию полноразмерного выхода с двухзонной конструкцией с помощью OpticStudio. При первоначальном моделировании использовался коллимированный прямоугольный луч с длиной волны 550 нм, волновод длиной 55 мм и толщиной 1 мм (показатель преломления 1,8) и выходной преобразователь с периодом 400 нм; общая площадь двухзонного выхода идентична полноразмерной версии. Однородность окуляра для центрального луча поля зрения улучшилась с 35,8% до 69,4%. В этой статье однородность определяется как отношение минимальной интенсивности к максимальной интенсивности в пределах выборочной площади, выраженное в процентах; он не отражает общую оптическую эффективность системы.
Впоследствии авторы изготовили двухзонный прототип и сравнили его с полноразмерным выходом длиной 15 мм. Двухзонная конструкция состояла из двух секций длиной 7,5 мм, каждая из которых отвечала на противоположную круговую поляризацию. Испытание с лазером с длиной волны 532 нм при нормальном падении показало, что для образцов с более низкой дифракционной эффективностью однородность улучшилась с 44,0% до 70,1%, при этом общие мощности составили 9,11 мкВт и 9,85 мкВт соответственно, измеренные на апертуре примерно 6 мм × 15 мм. Хотя эти результаты подтверждают утверждение о том, что «разделение улучшает однородность», общие значения мощности для двух типов образцов просто сопоставимы; поэтому было бы неточно утверждать, что удвоение блеска подтверждено экспериментально.
Авторы также скорректировали состав жидкокристаллического материала, увеличив дифракционную эффективность выводящих решеток примерно с 60,5% до 74%. Для соответствующих полноразмерных и двухзонных образцов значения однородности составили 15,9% и 38,8% соответственно, а измеренная общая мощность внутри окуляра составила 10,52 мкВт и 11,01 мкВт. Увеличение коэффициента связи приводит к тому, что большая часть света выходит из волновода раньше; следовательно, увеличение полной мощности может совпадать с уменьшением пространственной однородности. Двухзонный подход смягчает этот компромисс, хотя и не устраняет его полностью. В статье также представлены проектирование и моделирование четырехзонной двумерной системы расширения выходного зрачка; в отдельной модели, использующей коллимированный свет с длиной волны 532 нм, однородность улучшилась с 19,2% до 51,2%. Поскольку четырехзонная конфигурация не была проверена экспериментально, эту цифру нельзя поставить на тот же уровень доказательности, что и результаты измерений вышеупомянутого двухзонного прототипа.
Яркость и наглазник: за пределами одного коэффициента увеличения
Автор использует упрощенную одномерную модель, чтобы проиллюстрировать потенциал: предполагая, что эффективность связи на одно взаимодействие составляет 20% (при этом 10 взаимодействий происходят в области выхода во всю длину по сравнению с 5 в области половинной длины), расчетная однородность составляет примерно 41% для области половинной длины и 13% для области полной длины. Путем дальнейшего увеличения эффективности вывода в области половинной длины теоретически возможно извлечь общую мощность, сравнимую с мощностью в области во всю длину, из меньшей освещенной области, что приведет к увеличению локальной интенсивности света почти в два раза.
Однако это «двукратное» увеличение представляет собой верхний предел, полученный на основе идеализированной модели, а не эмпирически измеренный прирост яркости для физического прототипа. На самом деле эффективность PVG (объемной поляризационной решетки) зависит от длины волны, угла и состояния поляризации; кроме того, дрейф поляризации во время распространения и потери на границах между слоями также могут изменить результат. Что еще более важно, если выбрана меньшая область, система должна динамически переключаться, если взгляд пользователя смещается к границе или в другую область; если обе области освещаются одновременно, имеющуюся мощность необходимо перераспределить между ними. Следовательно, требования о «расширенном» окуляре и «повышенной» яркости, как указано в заголовке статьи, следует понимать как две различные дизайнерские возможности, предлагаемые архитектурой, а не как преимущества, которые могут быть достигнуты одновременно и безоговорочно.
Что еще нужно, чтобы превратить это в очки?
Для проектировщиков систем ценность этой статьи заключается не просто в использовании другого типа решетки, но и в изменении подхода к расширению выходного зрачка: переходе от «пассивного освещения всей площади» к «распределению света в зависимости от положения зрачка». Это также ставит новые инженерные задачи:
Замкнутый контур отслеживания глаз
Необходимо проверить точность отслеживания, задержку переключения поляризации и непрерывность изображения при движении глаза по разным зонам. Прототип, представленный в статье, еще не проверил эту замкнутую систему.
Границы и перекрестные помехи
Границы между зонами могут сужать поле зрения (FOV), а непреднамеренное разъединение путей может привести к появлению «призрачных» изображений (рассеянного света) в невыбранных областях. Хотя в статье представлены фотографии этих призрачных изображений, в ней не указан бюджет допуска, который можно было бы напрямую применить к дизайну массового производства.
Полноцветный и широкий угол обзора
Эксперименты в основном основаны на монохроматической установке 532 нм. Для достижения полноцветных характеристик необходимо учитывать характеристики дисперсии и углового отклика поляризационных объемных решеток (PVG) и геометрическо-фазовых дефлекторов, используемых в четырехзонной конструкции. Авторы также отмечают, что увеличение количества зон может привести к усечению поля зрения или оптическим перекрестным помехам.
Многослойное изготовление и выравнивание
Двухзонный прототип состоит из двух волноводов с различными поляризационными характеристиками, соединенных между собой воздушным зазором. По мере увеличения количества зон пространственные взаимоотношения между вводящими, складными соединителями и выходными устройствами существенно усложняются; любое несовпадение может привести к относительному смещению изображений, создаваемых разными зонами.
Таким образом, достоверный вывод из этой работы заключается в том, что в конкретных монохроматических условиях, конфигурации прототипа и параметрах измерений, представленных в статье, поляризационно-селективное зонирование значительно улучшает однородность яркости глазного ящика; кроме того, четырехзонная двухмерная схема предлагает потенциал для еще большего расширения. Если целью является носимая полноцветная AR-система, то дополнительные факторы, такие как оптическая эффективность, поле зрения, задержка движения и фотона, перекрестные помехи и допуски сборки, также должны быть оценены в рамках комплексной структуры спецификаций на уровне системы.
Что это значит для легких очков с искусственным интеллектом?
Ценность этого подхода «зональной развязки» заключается, прежде всего, в предложении новых инженерных возможностей распределения оптического выхода в волноводах, а не в предоставлении готового к производству полноцветного решения. В SOTECH, оценивая технологии дисплеев около глаз, мы также оцениваем их способность обеспечивать ощутимые преимущества в реальных сценариях использования, такие как читаемость при ярком наружном освещении, энергопотребление и выделение тепла при длительном ношении, однородность окуляра и тонкий баланс между общим весом устройства и комфортом пользователя.
Для легких очков с искусственным интеллектом, таких как эти, СОТЕК G55, в настоящее время основное внимание уделяется синергии между зрелой волноводной оптикой, дисплеями Micro-LED и интегрированным структурным дизайном. Это гарантирует, что информация, такая как субтитры, навигационные подсказки или текст телесуфлера, останется четкой и стабильной во время ежедневного использования, не закрывая естественное поле зрения пользователя. По мере развития таких технологий, как отслеживание глаз, переключение поляризации и зональная развязка, подобные подходы могут помочь таким устройствам достичь более точного баланса между яркостью, энергоэффективностью и качеством изображения.
