От полного внутреннего отражения к SiC-волноводам: как AR-очки преодолевают узкие места в оптике дисплеев

Одним из основных технических препятствий для очков AR является не просто сам микродисплей, а то, как использовать оптические волноводы для достижения высококачественного наложения виртуальных изображений на реальный мир с помощью прозрачных линз.

Оптические волноводы должны передавать свет от одного конца к другому толщиной всего несколько миллиметров, одновременно обеспечивая равномерную светоотдачу и точную доставку в человеческий глаз. Это не просто «расширение экрана», а подвиг оптической инженерии, требующий точного контроля над распространением света — процесса, в основе которого лежат постоянные исследования материалов, дифракции, поляризации и сложных оптических алгоритмов.

Полное внутреннее отражение: фундаментальный принцип передачи света в волноводах.

Почему обычный прозрачный плоский лист может передавать свет с одного конца на другой, не теряя при этом его утечки? Ответ кроется в принципе, описанном в школьных учебниках физики: полное внутреннее отражение (TIR).

Когда свет проходит из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления и угол падения превышает критический угол, свет не преломляется через границу раздела; вместо этого он подвергается полному внутреннему отражению и отражается обратно в среду с высоким показателем преломления.

Оптические волноводы AR используют этот самый принцип: луч изображения, излучаемый микродисплеем, коллимируется проекционной системой и входит в волновод через входную область связи на одном конце; он распространяется внутри волновода за счет полного внутреннего отражения и, наконец, извлекается через структуру выходной связи на другом конце, направляя свет в глаз пользователя. Разница в показателе преломления между подложкой волновода и окружающим воздухом ограничивает свет, позволяя ему распространяться внутри тонкого листа стекла или смолы.

Однако полное внутреннее отражение накладывает существенное ограничение: распространение света внутри волновода не является произвольным; только свет, отвечающий определенным угловым условиям, может распространяться стабильно. Если свет выходит за пределы поддерживаемого диапазона, может произойти утечка. Это ограничение распространения напрямую влияет на поле зрения (FOV) очков AR, то есть на угловой диапазон, в котором виртуальное изображение покрывает поле зрения пользователя. Это физический предел, который можно точно описать формулой. Предполагая, что один микропроектор направляет световой луч в волновод, где показатель преломления волноводной среды равен n , а показатель преломления воздуха равен 1, максимальное поддерживаемое поле зрения для одного микропроектора удовлетворяет следующему:

Когда показатель преломления (n) равен 1,5, теоретическое поле зрения (FOV) составляет около 30 °; при n = 1,75 теоретический диапазон увеличивается примерно до 48°; и когда n приближается к 2, он теоретически может расшириться еще примерно до 60 °. Это ключевая причина, по которой поле зрения AR-очков обычно остается в диапазоне 30–40 ° в течение многих лет: помимо ограничений оптической архитектуры, показатель преломления материала является критическим фактором, влияющим на расширение поля зрения.

Однако следует отметить, что поле зрения в реальной системе дополненной реальности определяется не только показателем преломления; на него также влияет комбинация факторов, в том числе числовая апертура (NA) микродисплея, конструкция оптического двигателя, структура волновода, метод расширения зрачка и оптическая однородность.

Естественное поле зрения (FOV) одного человеческого глаза составляет примерно 160 × 130 °, при этом бинокулярное горизонтальное перекрытие превышает 120 °. Современные AR-системы с полем зрения в диапазоне всего нескольких десятков градусов по-прежнему значительно отстают от естественного поля зрения человеческого глаза, что оставляет возможности для улучшения охвата виртуальных изображений. Следовательно, исследование материалов с более высокими показателями преломления, оптимизация волноводных структур и повышение эффективности системы стали ключевыми направлениями развития оптики дополненной реальности.

Карбид кремния: новые исследования материалов с высоким показателем преломления

В последние годы карбид кремния (SiC) стал материалом с высоким показателем преломления, представляющим значительный интерес в области оптики дополненной реальности. Имея показатель преломления примерно 2,6–2,7, он имеет явные преимущества перед традиционными оптическими стеклами и полимерными материалами. Теоретически более высокий показатель преломления расширяет угловой диапазон распространения света, поддерживаемый волноводом, предоставляя новый вариант материала для дисплеев AR с широкими полями зрения. Исследования и проверки решений волноводов на основе материалов с высоким показателем преломления также неуклонно развиваются. Например, прототип Meta Orion продемонстрировал потенциал достижения широких полей зрения с использованием волноводов SiC, подчеркнув перспективность материалов с высоким показателем преломления в секторе дисплеев AR.

Однако материалы с высоким показателем преломления не являются единственным решением каждой оптической проблемы. Для дифракционных оптических волноводов давней проблемой является появление радужных артефактов: когда окружающий свет (например, солнечный свет) попадает на дифракционную решетку на поверхности волновода, свет с разными длинами волн подвергается различной степени дисперсии, в результате чего на поле зрения накладываются цветные полосы. Материалы с высоким показателем преломления могут изменять характеристики распространения света внутри волновода и облегчать оптимизацию конструкции дифракционных структур, тем самым уменьшая влияние радужных артефактов.

Команда из Университета Вестлейк продемонстрировала результаты исследований дифракционных волноводов на основе материалов SiC, добившись прогресса в миниатюризации, высокой оптической эффективности и уменьшении радужных артефактов, тем самым открывая новые возможности для разработки волноводов с высоким показателем преломления.

Кроме того, SiC обладает высокой теплопроводностью. Хотя теплопроводность идеального монокристаллического SiC может достигать примерно 490 Вт/(м·К) — показатель, который обычно снижается в готовых волноводных устройствах из-за таких факторов, как дефекты решетки, методы обработки и структура материала, — она остается значительно выше, чем у обычного стекла. Это означает, что SiC предлагает явные преимущества терморегулирования для систем AR-дисплеев высокой яркости, помогая повысить общую стабильность системы.

Однако высокий показатель преломления также создает проблемы для производства. Из-за высокой твердости SiC традиционные методы обработки с трудом отвечают требованиям изготовления сложных наноструктур. Приложения, связанные с дифракционными волноводами, требуют таких процессов, как высокоточное травление, для создания наноразмерных структур на поверхности материала. В настоящее время волноводы SiC переходят от экспериментальной проверки к индустриализации; вопросы, касающиеся стоимости, эффективности обработки и возможностей массового производства, еще предстоит решить.

От «линии» к «поверхности»: пространственный скачок в расширении выходного зрачка

Как только свет попадает в волновод, следующая задача — обеспечить его равномерный выход, охватывая при этом диапазон движения человеческого глаза. Выходной зрачок светового луча, генерируемого микродисплеем, обычно имеет размер всего несколько миллиметров; однако, поскольку во время использования глаз движется естественно, ограниченный выходной зрачок необходимо расширить, чтобы создать область «глаза», пригодную для просмотра. Этот процесс известен как расширение выходного зрачка (EPE).

Геометрические оптические волноводы: прецизионный дизайн зеркальных матриц

Геометрические оптические волноводы используют массив встроенных полуотражающих зеркал для постепенного распределения световой энергии по множеству отражающих поверхностей. Когда свет сталкивается с каждой отражающей поверхностью, часть энергии отражается из волновода в глаз пользователя, а остальная часть продолжает распространяться внутри волновода. Точный контроль над соотношением пропускания и отражения этих поверхностей позволяет расширять луч по одному измерению.

Более совершенные геометрические волноводы с двумерной решеткой включают в себя два набора решеток светоделительной поверхности, ориентированных в разных направлениях для достижения расширения света как в горизонтальном, так и в вертикальном измерениях; это расширяет «глаз» в двух измерениях, тем самым увеличивая допуск на расположение гарнитуры. Некоторые конструкции волноводов с двумерной решеткой могут достигать поля зрения в десятки градусов, сохраняя при этом толщину в миллиметровом диапазоне за счет структурной оптимизации.

Геометрические волноводы обычно обеспечивают превосходное качество изображения и цветопередачу, а также меньший риск появления радужных артефактов. Однако их многослойные полуотражающие/полупрозрачные структуры предъявляют строгие требования к точности покрытия, структурному выравниванию и стабильности производства; следовательно, сложность процесса и производственные затраты остаются областями постоянной оптимизации.

Дифракционные оптические волноводы и решетки с рельефом поверхности: наномасштабная технология управления светом

В дифракционных оптических волноводах используется совершенно другой подход: вместо внедрения отражателей в волновод наноразмерные периодические структуры, в частности, поверхностные рельефные решетки (SRG), изготавливаются на поверхности волновода или внутри его структуры. SRG обычно создаются с использованием таких процессов, как электронно-лучевая литография, наноимпринтная литография или ионно-лучевое травление для формирования физических решетчатых структур на поверхности волновода с характерными размерами от десятков до сотен нанометров.

Основной принцип работы SRG можно описать уравнением решетки:

На рисунке ниже показана схема структуры типичной наклонной решетки в программном обеспечении OAS; путем проектирования периода решетки, рабочего цикла, глубины и угла наклона можно точно контролировать эффективность дифракции для различных длин волн и порядков дифракции.

В волноводах AR SRG обычно состоит из трех основных функциональных областей:

· Входная решетка: отвечает за соединение коллимированного светового луча, излучаемого микропроекционным двигателем, с волноводом, гарантируя, что он соответствует условиям распространения полного внутреннего отражения.

· Поворотная решетка (расширяющая решетка): изменяет направление распространения света — обычно перенаправляя горизонтально распространяющийся свет в вертикальное направление — для достижения одномерного расширения зрачка.

· Выходная решетка: равномерно извлекает свет из волновода и направляет его в глаза пользователя для создания изображения.

Эта «трехрешетчатая» архитектура позволяет дифракционным волноводам достигать двумерного расширения выходного зрачка с относительно простой структурой, сохраняя при этом тонкий оптический профиль, что делает ее ключевым технологическим направлением для AR-очков потребительского уровня. По сравнению с геометрическими волноводами дифракционные волноводы обладают такими преимуществами, как легкий вес, тонкий форм-фактор и большая гибкость конструкции; некоторые конструкции могут достигать толщины в диапазоне миллиметров или даже субмиллиметров.

Инструменты проектирования и оптимизации SRG. Поскольку размеры решетчатых структур сравнимы с длиной волны света, традиционные методы геометрической оптики не могут точно описать их оптическое поведение; следовательно, необходимы методы электромагнитного моделирования, такие как строгий анализ связанных волн (RCWA). RCWA работает путем разделения области решетки на несколько тонких слоев и использования расширения Фурье для описания распределения электромагнитного поля; затем он решает уравнения Максвелла для расчета эффективности и поляризационного отклика различных порядков дифракции.

Интегрируя такие алгоритмы, как оптимизация роя частиц (PSO), инженеры могут определять лучшие конструкции в пространстве параметров, определяемом такими переменными, как период решетки, глубина, рабочий цикл и угол наклона. Например, в случае S-поляризованного света с длиной волны 550 нм оптимизация параметров может повысить эффективность дифракции примерно с 56% до более 94,7%.

Ключевые преимущества SRG:

• Сверхпростая конструкция толщиной менее 0,5 мм;

• Высокая гибкость конструкции, позволяющая контролировать угол луча, однородность и поляризацию посредством морфологии решетки;

• Подходит для недорогого массового производства с использованием технологии наноотпечатка (например, для потребительских очков AR).

Неотъемлемые проблемы SRG:

• Артефакты радуги: рассеивание происходит, когда окружающий свет (например, солнечный свет) падает на решетку поверхности, образуя цветные полосы. Подложки с высоким показателем преломления (например, SiC) могут подавить этот эффект.

• Дисперсия: Дисперсия происходит, когда окружающий свет (например, солнечный свет) падает на решетку поверхности, образуя цветные полосы. Подложки с высоким показателем преломления (например, SiC) могут подавить этот эффект.

• Низкая оптическая эффективность: эффективность дифракции за один проход обычно составляет 10–30%; Общая эффективность требует повышения за счет оптимизации профиля решетки или каскадной конструкции.

• Чувствительность к поляризации: SRG демонстрируют существенно разные реакции на разные состояния поляризации, что требует использования источников поляризованного света или устройств преобразования поляризации.

Таким образом, разработка дифракционных оптических волноводов направлена ​​не просто на достижение более тонких структур, но и на достижение лучшего баланса между оптической эффективностью, однородностью, полем зрения (FOV) и адаптируемостью к окружающей среде.

Физический баланс между эффективностью и единообразием

Дифракционные оптические волноводы уже давно столкнулись с фундаментальным конфликтом: повышение яркости дисплея требует увеличения эффективности связи решеток; однако более высокая эффективность может привести к усилению паразитной дифракции и утечке энергии, особенно при широком поле зрения, тем самым ставя под угрозу однородность отображения. И наоборот, чрезмерный приоритет однородности может привести к снижению общей оптической эффективности. Этот конфликт между эффективностью и однородностью возникает из-за пассивной реакции обычных решеток на состояния поляризации и пути распространения.

В последние годы поляризационные объемные голографические решетки (PVG) открыли новые возможности для оптимизации. В отличие от решеток с рельефом поверхности, PVG используют периодическую структуру показателя преломления, образованную внутри материала посредством голографической интерференции для модуляции распространения света. Исследования показали, что при определенных условиях PVG могут использовать механизмы преобразования поляризации для повышения эффективности распространения света и снижения потерь энергии, вызванных определенными паразитными эффектами дифракции. Среди них значительное внимание привлек механизм аномального преобразования поляризации (APC).

За счет активной модуляции состояния поляризации света для направления большего количества оптической энергии вдоль целевого пути этот механизм потенциально может повысить эффективность связи и однородность яркости. Однако такие технологии, как PVG и APC, продолжают активно исследоваться; их крупномасштабное практическое применение требует дальнейшей проверки в отношении систем материалов, производственных процессов и экономической эффективности.

Микродисплей и системная интеграция: общий баланс оптической системы

Оптические волноводы служат «проводниками», а оптический механизм на переднем конце — микродисплей — определяет яркость, контрастность и цвет. В настоящее время основные направления технологий микродисплеев, изучаемые в области окологлазных дисплеев AR, включают Micro-OLED, LCoS/DLP и Micro LED.

Micro-OLED: относительно зрелое решение для отображения возле глаз.

Он предлагает чрезвычайно высокий контраст (в диапазоне миллионы к одному) и высочайший уровень зрелости. Типичная яркость для глаза колеблется от 1000 до 1250 нит, что обеспечивает базовую читаемость в умеренно яркой среде, хотя производительность остается недостаточной при ярком наружном освещении. Хотя некоторые образцы могут достигать пикового уровня яркости в десятки тысяч нит, ограничивающими факторами являются энергопотребление и срок службы.

LCoS/DLP: подход с высокой яркостью, но с проблемами миниатюризации.

Эти системы, способные достигать уровня яркости в десятки тысяч нит, оснащены громоздкими оптическими двигателями (4–6 куб.см) и высокими требованиями к терморегулированию, что затрудняет достижение тонкого и легкого форм-фактора.

Micro LED: ключевой кандидат на будущие AR-дисплеи

Благодаря теоретической яркости, превышающей 100 000 нит, объему менее 0,5 куб. см и сроку службы, превышающему 100 000 часов, а также превосходной совместимости с волноводами SiC, он считается идеальным решением. Однако производительность массопереноса для полноцветных дисплеев остается основным инженерным узким местом, а текущие возможности еще не соответствуют требованиям массового производства потребительского уровня.

Более того, компромисс между полем зрения (FOV), окуляром, толщиной волновода, эффективностью связи и энергопотреблением делает оптическое проектирование дополненной реальности сродни решению задачи оптимизации в многомерном пространстве параметров. Это объясняет, почему очки AR, которые действительно соответствуют требованиям потребительского уровня, до сих пор не получили широкого распространения: проблема заключается не в осуществимости какой-либо отдельной технологии, а в достижении превосходного уровня целостного баланса во всей системе.

Синергетическое развитие оптики AR по нескольким техническим направлениям

Технология оптических волноводов AR в настоящее время постоянно развивается. С одной стороны, материалы с высоким показателем преломления открывают новые возможности для расширения поля зрения и оптимизации оптических характеристик; с другой стороны, такие технологии, как PVG и контроль поляризации, позволяют найти компромисс между оптической эффективностью и однородностью в дифракционных волноводах. Между тем, развитие новых технологий микродисплеев, таких как MicroLED, будет способствовать дальнейшему развитию AR-систем в сторону более высокой яркости и более компактных форм-факторов.

Различные сценарии применения предъявляют разные требования к полю зрения, весу, стоимости, времени автономной работы и качеству изображения; следовательно, на будущем рынке очков AR, скорее всего, будет сосуществовать множество технических решений.

От полного внутреннего отражения до материалов с высоким показателем преломления, от геометрических отражающих структур и дифракционных решеток до поляризационной объемной голографической технологии — эволюция оптических волноводов, по сути, представляет собой непрерывный поиск более точного управления распространением света. Каждое технологическое достижение представляет собой прорыв в границах свойств материалов, оптического дизайна и производственных процессов.

В будущем, по мере дальнейшего сближения оптических систем, технологий микродисплеев и вычислительной мощности, очки AR могут приблизиться к цели стать более естественными, легкими и подходящими для повседневного использования. Оптические волноводы останутся важнейшей базовой технологией, определяющей качество отображения очков AR.

Источник: составлено компаниями Wuhan Eryuan Technology и Aibang Zhizao.