Как технология дифракционного волновода работает в дисплеях AR-очков

В нашей предыдущей статье «Что такое дифракционный волновод AR?» мы объяснили фундаментальные принципы дифракционных волноводов и подчеркнули различия между волноводами с поверхностной решеткой и волноводами с объемной голографической решеткой. Сегодня мы углубимся в основные функции и направления оптимизации дифракционных волноводов и обсудим, почему дифракционные волноводы на основе решеток с рельефом поверхности становятся основной технологией отображения для очков AR.

01 Основные функции дифракционных волноводов

1. Изометрическая передача изображения

Из наших предыдущих статей мы знаем, что для того, чтобы дифракционный волновод направлял свет, излучаемый микропроекционной системой (оптическим двигателем), в человеческий глаз, он должен подвергаться процессам входа и выхода. В частности, свет, излучаемый оптическим двигателем, попадает в плоский волновод через решетку связи, распространяется внутри него за счет полного внутреннего отражения и, наконец, передается в глаз через решетку связи.

Наиболее важным аспектом этого процесса является полное внутреннее отражение. Но что такое полное внутреннее отражение?

Полное внутреннее отражение происходит, когда свет перемещается из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, а угол падения больше или равен критическому углу. Когда условия полного внутреннего отражения соблюдены, свет будет непрерывно распространяться по плоскому волноводу за счет отражения, не выходя наружу, тем самым позволяя изменять направление света. Мираж – известное природное явление, возникающее в результате полного внутреннего отражения.

Обычно очки AR выводят изображения с помощью оптического механизма. Однако размещение оптического механизма непосредственно на объективе затруднит обзор пользователя и будет визуально непривлекательным. Более того, полагаясь исключительно на оптический механизм, невозможно достичь желаемого эффекта слияния виртуальных и реальных изображений.

Используя принцип полного внутреннего отражения, дифракционные волноводы могут выполнять изометрическую передачу изображений, проецируемых оптическим механизмом, позволяя располагать оптический механизм сверху или сбоку очков. Такой подход не только позволяет избежать перекрытия прямой видимости пользователя, но также, благодаря высокой скорости светопропускания и тонкому профилю дифракционного волновода, приближает AR-очки по внешнему виду к обычным очкам, достигая при этом желаемого эффекта виртуальной и реальной интеграции.

Важно отметить, что дифракционный волновод отвечает исключительно за передачу изображения глазу и не влияет на содержание самого изображения, то есть не имеет возможности увеличивать или уменьшать размер изображения.

2. Двумерное расширение зрачков

Стандартные решения для оптического отображения обычно не имеют возможности расширения зрачка, что ограничивает возможность зрителя видеть изображения только в пределах размера выходного зрачка оптического механизма (т. е. диапазона движения глаз). Например, если выходной зрачок оптического механизма имеет диаметр φ5 мм, пользователь может просматривать изображение только в диапазоне φ5 мм. Это похоже на взгляд на мир через глазок, что значительно снижает погружение и визуальный опыт.

Чтобы решить эту проблему, дифракционные волноводы могут обеспечить двумерное расширение зрачка, увеличивая выходной зрачок, сохраняя при этом компактный размер и широкое поле зрения. Это эффективно увеличивает диапазон движений глаз в обоих направлениях, обеспечивая усиленное ощущение погружения и улучшение зрительного восприятия, а также учитывает различные межзрачковые расстояния. Это представляет собой вторую основную функцию дифракционных волноводов.

Обычно существует два подхода к реализации двумерного расширения зрачка. Первый предполагает использование трех одномерных решеток (т.е. решетки связи, решетки изгиба и решетки связи). Второй подход использует одну одномерную решетку (связывающую решетку) и одну двумерную решетку (связывающую решетку).

В первом подходе свет, излучаемый оптическим двигателем, попадает в волновод через решетку связи. Затем свет подвергается полному внутреннему отражению и попадает на изгибающую решетку, где часть света перенаправляется на выходную решетку, в то время как оставшийся свет продолжает распространяться вперед за счет отражения. Этот свет снова попадет на изгибающую решетку, а другая его часть перенаправится на выходную решетку. Этот процесс повторяется для достижения одномерного расширения зрачка.

Наконец, часть света, достигающего выходной решетки, преломляется в глаз, в то время как оставшийся свет продолжает распространяться вперед за счет отражения, снова взаимодействуя с выходной решеткой. Этот процесс приводит к другому направлению одномерного расширения зрачка. Когда эти два одномерных расширения объединяются, они создают двумерное расширение зрачка.

Во втором подходе процесс также начинается с ввода света, излучаемого оптическим двигателем, в волновод с помощью решетки связи. Затем свет подвергается полному внутреннему отражению и попадает на двумерную решетку связи. В этот момент часть света преломляется в глазу, а оставшийся свет разделяется и продолжает распространяться вперед за счет отражения как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Затем свет снова будет взаимодействовать с выходной решеткой, где другая часть преломляется в глаз. Этот процесс повторяется, эффективно достигая двумерного расширения зрачка.

Выше описаны физические процессы двумерных схем расширения зрачков. Для сравнения, первая схема относительно проще с точки зрения конструкции и изготовления дифракционного волновода, но занимает большую площадь линзы. Вторая же схема требует использования двумерных решеток, которые более сложны в проектировании и изготовлении, что усложняет их реализацию. Однако этот подход приводит к более компактной общей конструкции, что позволяет уменьшить площадь линзы.

Используя двумерное расширение зрачка, мы можем не только увеличить диапазон движений глаз и улучшить погружение пользователя, но также уменьшить вес и размеры оптического механизма как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, делая очки AR легче и более адаптируемыми.

Важно отметить, что хотя двумерное расширение зрачка повторяет изображение несколько раз, на самом деле мы воспринимаем только одно изображение, а не несколько изображений. Это связано с тем, что изображение, передаваемое решёткой связи, является не реальным, а виртуальным. Кроме того, человеческий мозг имеет тенденцию обманывать себя, следуя за дальним лучом света, который он видит. Световые лучи, генерируемые расширением зрачка, соответствуют разным углам одного и того же виртуального изображения, поэтому независимо от того, сколько разных положений расширенных световых лучей воспринимает глаз, они будут возвращаться к одному и тому же изображению на основе расширенной линии зрения.

Например, это похоже на наблюдение за свечой через плоское зеркало. Свет свечи отражается от зеркала и попадает в глаз, который затем ищет виртуальное изображение на основе протяженной линии световых лучей. Три световых луча, изображенные на схеме, можно понимать как расширенные световые лучи в трех разных положениях дифракционного волновода. Как показано на диаграмме, когда мы видим эти три световых луча одновременно, все они указывают на одно и то же изображение.

Кроме того, существует распространенное заблуждение, что дифракционные волноводы имеют низкую энергоэффективность. В действительности такое ощущение возникает в процессе достижения двумерного расширения зрачка, когда дифракционному волноводу необходимо разделить световую энергию на множество частей и равномерно распределить ее по каждому положению выходного зрачка. В результате энергия на единицу площади естественным образом снижается. Однако если бы мы собрали все световые лучи из дифракционного волновода в глаз, мы бы обнаружили, что его энергетическая эффективность на самом деле не так уж низка.

Таким образом, основной причиной предполагаемой низкой энергетической эффективности дифракционных волноводов является расширение зрачка. Однако расширение является важной особенностью дифракционных волноводов и, как упоминалось ранее, оно дает многочисленные преимущества. Поэтому очень важно максимизировать энергоэффективность, сохраняя при этом определенный уровень расширения зрачков.

02 Три основных направления оптимизации дифракционных волноводов

1. Оптимизация эффективности дифракции света

Как упоминалось ранее, многие люди считают, что дифракционные волноводы имеют низкую энергоэффективность. Чтобы решить эту проблему, необходимо повысить энергоэффективность за счет оптимизации эффективности дифракции света при сохранении определенного уровня расширения зрачка.

Поскольку размер элемента нанорешеток сравним с длиной волны света, важно рассматривать свет не как обычные лучи, а как электромагнитные волны при распространении. Когда свет падает на решетку, он разделяется на несколько разных направлений (порядков дифракции), и при этом неизбежно часть световой энергии теряется.

Чтобы гарантировать, что большая часть световой энергии передается в дифракционный волновод, мы обычно выбираем определенный ненулевой порядок дифракции (который соответствует условиям полного внутреннего отражения) в качестве рабочего порядка дифракционного волновода. Точно контролируя такие параметры, как период решетки, рабочий цикл, глубину канавки и угол боковой стенки, мы можем оптимизировать эффективность дифракции света, концентрируя большую часть световой энергии в этом рабочем порядке. Это, в свою очередь, повышает энергоэффективность и позволяет повысить яркость изображения.

2. Оптимизация дифракционной эффективности для различных углов падения.

Еще одним важным фактором, который следует учитывать при оптимизации решетки, является влияние угла падения света на эффективность дифракции.

Поскольку изображение, проецируемое оптическим механизмом, образует световую поверхность, свет из разных положений на этой поверхности попадает в дифракционный волновод под разными углами. Для дифракционных волноводов разные углы падения приводят к разной эффективности дифракции, что приводит к несоответствию общей яркости изображения.

Следовательно, помимо оптимизации эффективности дифракции для определенного порядка дифракции, также важно оптимизировать эффективность дифракции для света под различными углами падения, чтобы обеспечить равномерную яркость.

3. Оптимизация дифракционной эффективности для разных длин волн.

Разные цвета света имеют разную длину волны, что влияет на эффективность их дифракции. Кроме того, разные длины волн приводят к разным углам дифракции, а это означает, что во время процесса расширения зрачка частота взаимодействия света разных цветов с выходной решеткой также будет меняться. Эти два фактора затрудняют попадание света каждого цвета в глаз с равными пропорциями энергии, что приводит к проблемам с однородностью цвета. Таким образом, добиться хорошей однородности цвета на изображениях с использованием однослойного дифракционного волновода сложно.

Чтобы обеспечить выход света с разными длинами волн с равными энергетическими пропорциями, обычно используют многослойную (два слоя и более) укладку дифракционных волноводов. Каждый слой дифракционного волновода оптимизирован для контроля и усиления энергии в определенном диапазоне длин волн, а также для подавления перекрестных помех между слоями. Такой подход гарантирует, что свет разных длин волн в конечном итоге попадает в глаз с равными пропорциями энергии, улучшая однородность цвета и отображая нормальные, яркие изображения.

03 Резюме

С одной стороны, дифракционные волноводы выполняют две основные функции: изометрическую передачу изображения и двумерное расширение зрачка. Основываясь на этих функциях, они позволяют очкам AR быть легкими и тонкими, в то же время подходящими для более широкого круга пользователей, обеспечивая сильное ощущение погружения и превосходное визуальное восприятие. Кроме того, интеграция полупроводниковых процессов повышает технологичность дифракционных волноводов, закладывая прочную основу для выхода AR-очков на потребительский рынок.

С другой стороны, дифракционные волноводы, являясь основной технологией отображения для очков дополненной реальности, предлагают большой потенциал, но также представляют собой значительную сложность. Оптимизацию эффективности дифракции необходимо рассматривать с нескольких аспектов, включая порядок дифракции, углы падения и длины волн.

Благодаря постоянному совершенствованию технологий и дальнейшей оптимизации производительности, дифракционные волноводы AR могут принести в домохозяйства очки AR, ярко сияющие в эпоху метавселенной.