Что такое дифракционный волновод AR?

Дифракционный волновод — это основное решение оптического дисплея для очков AR. Многие устройства AR используют эту технологию. Почему крупные производители AR-оборудования так любят дифракционные волноводы? Что такое дифракционный волновод?

01 Определение дифракционного волновода

Чтобы получить более глубокое понимание, мы можем разбить термин «дифракционный волновод» на две части: дифракция и волновод.

Обычно мы знаем, что свет может распространяться тремя способами: прямолинейное распространение, отражение и преломление. Например, инфракрасные прицелы, перископы и то, как соломинка выглядит согнутой в воде, основаны на этих трех принципах. С другой стороны, дифракция — это четвертый способ распространения света.

В 17 веке итальянский профессор математики Франческо Гримальди открыл и ввёл термин «дифракция», который происходит от латинского слова «diffringere», что означает «разбиваться на куски». Это относится к первоначальному направлению распространения волны, которое «разбивается» и изгибается в разные стороны.

В своих экспериментах он пропускал луч света через два небольших отверстия на экран в темной комнате, наблюдая узор из светлых и темных полос по краям проекции. Таким образом, дифракция относится к физическому явлению, при котором направление распространения волны меняется при встрече с препятствиями или щелями.

Из-за того, что заметные дифракционные эффекты можно наблюдать только тогда, когда размер препятствия или ширина щели сравнимы или меньше длины волны, часто трудно увидеть дифракцию света в нашей повседневной жизни. Однако при некоторых особых условиях мы можем это наблюдать. Например, явление «сияния», наблюдаемое в небе, которое выглядит как красочный ореол вокруг теней, является результатом преломления солнечного света через маленькие капли воды и кристаллы льда в облаках.

Обсудив дифракцию, что такое волновод?

В нашем мире существуют различные типы волн, включая световые волны, звуковые волны и электромагнитные волны.

Волновод — это устройство, которое передает эти волны из одного места в другое. Таким образом, световод — это среда или устройство, которое направляет световые волны по мере их распространения.

Понимая как дифракцию, так и волноводы, мы можем определить дифракционный волновод: проще говоря, это среда, которая использует дифракцию света для направления световых волн во время их движения.

Дифракционный волновод

Чтобы объяснить далее, дифракционный волновод предназначен для использования дифракционных свойств решеток для создания «светового пути», позволяющего свету распространяться по заранее определенному маршруту и ​​направляющего свет, излучаемый микропроекционной системой, в человеческий глаз.

Дифракционная решетка — оптический элемент с периодической структурой — является основным компонентом дифракционного волновода. В зависимости от типа используемой решетки дифракционные волноводы можно разделить на два типа: волноводы с рельефной поверхностью и волноводы с объемной голографической решеткой.

02 Волновод с рельефной решеткой

Рельефные решетки создаются путем «лепки» высоких пиков и низких впадин на поверхности материала с помощью таких процессов, как фотолитография и травление. Эта технология изготовления обеспечивает периодическую структуру, отвечающую требуемым оптическим характеристикам.

Эти решетки манипулируют светом, который с ними взаимодействует, обеспечивая эффективную дифракцию и направление света внутри волновода. Рельефные решетки получили широкое распространение благодаря простоте изготовления и возможности интеграции в различные оптические системы.

СЭМ-изображение рельефной решетки

Рельефная решетка поверхности. Волновод, направляющий свет, излучаемый микропроекционной системой (оптическим двигателем), в человеческий глаз. Свет должен пройти через процессы входа и выхода. В частности, свет, излучаемый оптическим двигателем, попадает в волновод через входную решетку, распространяется за счет полного внутреннего отражения внутри плоского волновода и, наконец, передается человеческому глазу через выходную решетку. Использованные здесь входные и выходные решетки представляют собой решетки с рельефом поверхности.

Поскольку наноразмерные характеристики решетки сравнимы с длиной волны света, свет следует рассматривать не как обычные лучи, а как электромагнитные волны. Когда свет падает на решетку, он подвергается дифракции нескольких порядков.

Например, если оптический механизм излучает монохроматический свет (например, зеленый свет), этот свет будет разделен на несколько лучей, идущих в разных направлениях (порядки дифракции) при попадании на входную решетку. Один из этих ненулевых порядков дифракции (например, порядок +1) будет удовлетворять условию полного внутреннего отражения плоского волновода, позволяя ему проникать в волновод и распространяться через него посредством полного внутреннего отражения. Этот конкретный порядок дифракции называется рабочим порядком дифракционного волновода. Путем точного контроля таких параметров, как период, рабочий цикл, глубина канавки и угол боковой стенки решетки, большая часть световой энергии может быть сконцентрирована в рабочем состоянии дифракционного волновода, эффективно передавая большую часть световой энергии в волновод. Этот процесс известен как процесс включения дифракционного волновода.

Соответственно, когда свет, распространяющийся за счет полного внутреннего отражения внутри дифракционного волновода, сталкивается с выходной решеткой, он также создает несколько порядков дифракции. Один из этих ненулевых порядков выйдет из дифракционного волновода в определенном направлении и впоследствии попадет в человеческий глаз. Это известно как процесс развязки дифракционного волновода.

Если оптический двигатель излучает цветной свет, помимо вышеупомянутых процессов, возникнут и другие сложности. Из-за различий в длинах волн света разных цветов их эффективность дифракции также будет различаться. Следовательно, во время распространения энергия каждого цвета света может теряться в разной степени, что приводит к дисперсии. Оптимизируя различные параметры решетки, она может точно контролировать энергию различных длин волн света, тем самым сводя к минимуму проблемы дисперсии и, в конечном итоге, позволяя нам видеть изображения с точными цветами.

Для решения сложных проблем дифракции на решетках компания разработала комплексный набор программного обеспечения для расчета различных типов решеток, основанный на модальном методе Фурье (FMM), который позволяет быстро и точно рассчитывать проблемы дифракции, связанные с решетками.

Кроме того, компания располагает полностью оборудованным центром обработки решеток и комплексной системой массового производства дифракционных волноводов, что обеспечивает тесную координацию проектирования и производства. При проектировании решеток можно учитывать возможности обработки мастера и методы производства, что позволяет своевременно вносить коррективы и оптимизации в случае возникновения проблем, что приводит к быстрому циклу итерации продукта.

Дифракционный волновод, который пользуется большой популярностью у крупных производителей оборудования AR, в частности относится к волноводу с рельефной решеткой. Его преимущества включают тонкий дизайн, большое поле зрения, широкий диапазон движений глаз и низкие затраты на массовое производство, что делает его широко расцененным как основная технология отображения в индустрии дополненной реальности.

03 Волновод с объемной голографической решеткой

Процесс распространения света в волноводе с объемной голографической решеткой принципиально аналогичен процессу распространения света в волноводе с рельефной поверхностью.

Ключевое отличие заключается в том, как создается объемная голографическая решетка. Вместо «лепки» объемная голографическая решетка формируется путем воздействия на пленку фоторезиста на подложке интерференционных картин, создаваемых двумя когерентными лучами света. Этот процесс создает периодическое пространственное распределение с различными показателями преломления на молекулярном уровне. Объемные голографические решетки обычно работают в условиях дифракции Брэгга.

Что такое условия дифракции Брэгга?

В 1912 году немецкий учёный Макс фон Лауэ открыл явление дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, положив начало изучению физики дифракции рентгеновских лучей. В том же году Лоуренс Брэгг путем повторных исследований в Кавендишской лаборатории пришел к выводу, что это явление представляет собой разновидность эффекта дифракции волн.

В 1913 году Лоуренс Брэгг и его отец Генри Брэгг совместно предложили брэгговскую форму дифракции рентгеновских лучей (известную как дифракция Брэгга). Они обнаружили, что когда волны субатомных частиц входят в кристалл, и если длина волны частиц близка к расстоянию между атомами в кристалле, волны частиц будут рассеиваться атомами зеркально. Это рассеяние приведет к конструктивной интерференции согласно закону Брэгга, образуя концентрированные пики волн (известные как пики Брэгга). Условия Брэгга — это критерии, которые должны соблюдаться для возникновения конструктивной интерференции.

Принципиальная схема дифракции Брэгга

Основываясь на принципе дифракции Брэгга, когда световые волны удовлетворяют условиям Брэгга, объемные голографические решетки могут достигать очень высокой дифракционной эффективности. Однако условия Брэгга предъявляют строгие требования к углу и длине волны падающего света. Если эти условия не выполняются, эффективность дифракции может быстро упасть. Это приводит к тому, что волноводы с объемной голографической решеткой изо всех сил пытаются достичь хорошей однородности цвета, что не отвечает требованиям рынка.

В настоящее время волноводы с объемной голографической решеткой демонстрируют значительные различия по сравнению с волноводами с рельефной поверхностью с точки зрения характеристик отображения, коммерциализации продукции и промышленной поддержки.

04 Резюме

Дифракционные волноводы AR используют дифракционные характеристики решеток для создания «световых путей», позволяя свету, излучаемому микропроекционными системами, направляться в человеческий глаз. В зависимости от типа используемой дифракционной решетки дифракционные волноводы можно разделить на волноводы с поверхностной рельефной решеткой и волноводы с объемной голографической решеткой.

Волноводы с решетчатыми рельефами поверхности обладают такими преимуществами, как легкий вес, большое поле зрения, широкий диапазон движений глаз и низкие затраты на массовое производство. Следовательно, они широко считаются основной технологией отображения в индустрии дополненной реальности. Хотя волноводы с объемными голографическими решетками демонстрируют очень высокую дифракционную эффективность, они борются с однородностью цвета из-за жестких условий брэгговской дифракции и все еще находятся на ранних стадиях развития технологии, что требует значительных усовершенствований для достижения прорыва.

Благодаря постоянному технологическому прогрессу и усовершенствованиям обработки дифракционные волноводы AR на основе решеток с рельефом поверхности начинают выходить на потребительский рынок. Считается, что в будущем они обеспечат исключительные возможности отображения AR для большего числа производителей оборудования AR.