Нови приступ АР таласоводима: зонирање засновано на поларизацији повећава униформност светлине прототипа на 70%

Таласоводи у АР наочарима захтевају одређену маргину за кретање очију — концепт познат као „окна кутија“. Међутим, већа кутија за очи значи да се пројектована светлост дистрибуира на ширем подручју, док корисникова зеница хвата само мали део. Једноставно повећање снаге лаког мотора довело би до веће потрошње енергије и већег топлотног оптерећења. Да ли је могуће одржавати функционални распон кутија за очи док осветљавају само одређену област која је заиста потребна у било ком тренутку?

Рад Нилсена ет ал., објављен у Адванцед Пхотоницс Ресеарцх 2026. године, предлаже специфичан приступ: подела региона екстракције излазне зенице на зоне које реагују на различита стања кружне поларизације, и коришћење улазне поларизације да се изабере која зона је активна. Уместо да истовремено осветљава целу велику кутију за очи, овај метод користи „променљиве, мање кутије за очи“ да би покрио већи, употребљиви опсег.

Где настају губици у традиционалном проширењу излазне зенице?

У системима за приказ у близини ока (НЕД), таласовод обично прима слику од оптичког мотора преко улазног спојника. Светлост се затим шири кроз таласовод путем тоталне унутрашње рефлексије (ТИР) пре него што је усмерена ка оку корисника помоћу излазног спојника. Да би се осигурало да пуно видно поље остаје видљиво чак и када око промени положај, излазни спојник мора да реплицира излазну зеницу на већој површини. Изазов је у томе што сваки пут када светлосни сноп ступи у интеракцију са излазним спојником, део његове енергије може бити извучен. Сходно томе, како се светлост шири, мање енергије остаје доступно за наредне делове излазног спојника, што може довести до приметног градијента светлине преко очне кутије.

Овај рад истражује поларизационе запреминске решетке (ПВГ) које се користе као излазни спојници. ПВГ-ови показују селективност засновану на домету кружно поларизоване светлости. Аутори деле оно што би иначе било јединствено подручје спајања - које покрива цео опсег очне кутије - на два сегмента једнаке дужине: један који реагује на светло са леве кружне поларизације (ЛЦП), а други на светло са десне кружне поларизације (РЦП). Пребацивањем улазне поларизације, светлост се усмерава дуж одређених улазних и излазних путања, осветљавајући само изабрани полу-регион.

Важно је разликовати два концепта која се лако бркају: укупни адресабилни опсег и област осветљена у било ком тренутку. Док комбинована два сегмента покривају оригиналну дужину кутије за очи, истовремено је активан само један сегмент. За практичан производ, омогућавање осветљеном региону да прати зеницу захтевало би технологију праћења очију у комбинацији са електронски контролисаним пребацивањем поларизације. Прототип представљен у раду не укључује такав систем затворене петље; уместо тога, ослања се на линеарни поларизатор и четвртталасну плочу за ручно пребацивање поларизације.

Како потврдити истраживачки рад?

Аутори су прво упоредили дизајн излазног спојника пуне дужине са дизајном са две зоне користећи ОптицСтудио. Иницијална симулација је користила колимирани правоугаони сноп од 550 нм, таласовод дужине 55 мм и дебљине 1 мм (индекс преламања 1,8) и излазни спој са периодом од 400 нм; укупна површина двозонског излазног спојника била је идентична оној код верзије пуне дужине. Уједначеност очне кутије за сноп централног видног поља побољшана је са 35,8% на 69,4%. У овом раду униформност се дефинише као однос минималног интензитета и максималног интензитета унутар узорковане површине, изражен у процентима; не представља укупну оптичку ефикасност система.

Након тога, аутори су произвели прототип са две зоне и упоредили га са излазним спојником пуне дужине дужине 15 мм. Двозонски дизајн састојао се од два дела дужине 7,5 мм, од којих је сваки одговарао на супротну кружну поларизацију. Тестирање са ласером од 532 нм при нормалној инциденци показало је да се за узорке са нижом ефикасношћу дифракције униформност побољшала са 44,0% на 70,1%, са укупним снагама од 9,11 μВ и 9,85 μВ, респективно, мереним преко отвора од приближно 6 мм × 15 мм. Док ови резултати подржавају тврдњу да 'партиционисање побољшава униформност', укупне вредности снаге за два типа узорака су само упоредиве; стога би било нетачно рећи да је удвостручење осветљености експериментално верификовано.

Аутори су такође прилагодили састав материјала течних кристала, повећавајући ефикасност дифракције излазних решетки са приближно 60,5% на 74%. За одговарајуће узорке пуне дужине и двоструке зоне, вредности униформности су биле 15,9% и 38,8%, респективно, док је измерена укупна снага у оквиру ока била 10,52 μВ и 11,01 μВ. Повећање коефицијента излазне спреге узрокује да већи део светлости раније изађе из таласовода; следствено томе, повећање укупне снаге може да се поклопи са смањењем просторне униформности. Двозонски приступ ублажава овај компромис, иако га не елиминише у потпуности. У раду је такође приказан дизајн и симулација четворозонског, дводимензионалног система проширења излазне зенице; у одвојеном моделу који користи колимирану светлост од 532 нм, униформност је побољшана са 19,2% на 51,2%. Како конфигурација са четири зоне није експериментално верификована, ова цифра се не може ставити на исти доказни ниво као измерени резултати из претходно поменутог прототипа са две зоне.

Осветљеност и кутија за очи: изван једног фактора увећања

Аутор користи поједностављени једнодимензионални модел да илуструје потенцијал: уз претпоставку ефикасности излазног спрезања од 20% по интеракцији—са 10 интеракција које се дешавају у региону излазне спреге пуне дужине наспрам 5 у региону половине дужине—израчуната униформност је приближно 41% за регион пуне дужине и 13% за регион пуне дужине. Даљњим повећањем ефикасности излазне спреге у области полудужине, теоретски је могуће извући укупну снагу упоредиву са оном у региону пуне дужине из мање осветљене области, што резултира локалним интензитетом светлости скоро двоструко већим.

Међутим, ово „двоструко“ повећање представља горњу границу изведену из идеализованог модела, а не емпиријски измерено повећање осветљености за физички прототип. У стварности, ефикасност ПВГ (поларизационе запреминске решетке) варира у зависности од таласне дужине, угла и стања поларизације; штавише, поларизациони дрифт током ширења и губици на интерфејсу између слојева такође могу да промене исход. Што је још важније, ако је изабран мањи регион, систем се мора динамички пребацивати ако се око корисника помери ка граници или у другу област; ако су оба региона истовремено осветљена, расположива снага се мора прерасподелити између њих. Сходно томе, тврдње о „проширеној“ кутији за очи и „побољшаној“ осветљености — као што је сугерисано у наслову чланка — треба схватити као две различите могућности дизајна које нуди архитектура, а не као предности које се могу постићи истовремено и безусловно.

Шта је још потребно да се ово претвори у пар наочара?

За дизајнере система, вредност овог рада није само у коришћењу другачијег типа решетке, већ и у промени приступа проширењу излазне зенице: прелазак са „пасивног осветљавања целе области“ на „дистрибуцију светлости на основу положаја зенице“. Ово такође уводи нове инжењерске изазове:

1. Праћење очију у затвореној петљи

Неопходно је проверити тачност праћења, кашњење укључено у пребацивање поларизације и континуитет слике док се око креће кроз различите зоне. Прототип представљен у раду још увек није потврдио овај систем затворене петље.

2. Границе и преслушавање

Границе између зона могу да скраћу видно поље (ФОВ), док ненамерне путање спајања могу довести до „духових“ слика (залутало светло) које се појављују у неизабраним регионима. Иако рад представља фотографије ових слика духова, он не даје буџет толеранције који би се могао директно применити на дизајн масовне производње.

3. Пуне боје и широко видно поље

Експерименти су првенствено засновани на монохроматској поставци од 532 нм. Постизање перформанси у пуној боји захтева решавање карактеристика дисперзије и угаоног одзива поларизационих запреминских решетки (ПВГ) и дефлектора геометријске фазе који се користе у дизајну са четири зоне. Аутори такође примећују да повећање броја зона може резултирати скраћењем ФОВ или оптичким преслушавањем.

4. Вишеслојна израда и поравнање

Двозонски прототип се састоји од два таласовода са различитим реакцијама поларизације, повезаних заједно са ваздушним процепом између. Како се број зона повећава, просторни односи између спојница, склопивих спојница и излазних спојница постају значајно сложенији; свако неусклађеност може проузроковати релативно померање између слика које производе различите зоне.

Стога је поуздан закључак из овог рада да, под специфичним монохроматским условима, конфигурацијом прототипа и мерним параметрима представљеним у раду, поларизационо селективно зонирање значајно побољшава уједначеност осветљења ока; штавише, дводимензионална шема са четири зоне нуди потенцијал за још веће ширење. Ако је циљ носиви АР систем у пуној боји, онда додатни фактори — као што су оптичка ефикасност, видно поље, кашњење од покрета до фотона, преслушавања и толеранције склапања — такође морају бити процењени у оквиру свеобухватног оквира спецификације на нивоу система.

Шта то значи за лагане наочаре са вештачком интелигенцијом?

Вредност овог приступа „зонског излазног спрега“ лежи првенствено у понуди нових инжењерских опција за дистрибуцију оптичког излаза у таласоводима, уместо у обезбеђивању спремног за производњу решења у пуној боји. У СОТЕЦХ-у, када процењујемо технологије дисплеја у близини ока, такође процењујемо њихову способност да испоруче опипљиве предности у сценаријима коришћења у стварном свету – као што су читљивост под јаким спољашњим светлом, потрошња енергије и стварање топлоте током дужег ношења, униформност кутије за очи и деликатна равнотежа између укупне тежине уређаја и удобности корисника.

За лагане АИ наочаре као што су СОТЕЦХ Г55, тренутни фокус је на синергији између зреле оптике таласовода, Мицро-ЛЕД екрана и интегрисаног структуралног дизајна. Ово осигурава да информације — као што су титлови, упутства за навигацију или текст телепромптера — остану јасне и стабилне током свакодневне употребе без ометања природног видног поља корисника. Како технологије попут праћења очију, пребацивања поларизације и зонског излазног спајања настављају да сазревају, слични приступи би могли помоћи таквим уређајима да остваре рафиниранију равнотежу између осветљености, енергетске ефикасности и квалитета доживљаја у кутији за очи.