Од потпуне унутрашње рефлексије до СиЦ таласовода: Како АР наочаре пробијају уска грла у оптици екрана

Једна од основних техничких препрека за АР наочаре није само сам микро-дисплеј, већ и начин на који се користе оптички таласоводи за постизање висококвалитетног преклапања виртуелних слика на стварни свет унутар провидних сочива.

Оптички таласоводи морају да преносе светлост са једног краја на други у дебљини од само неколико милиметара, истовремено обезбеђујући уједначен излаз светлости и прецизну испоруку у људско око. Ово није само „продужење екрана“, већ подвиг оптичког инжењеринга који захтева прецизну контролу над ширењем светлости – процес који је подржан сталним истраживањем материјала, дифракције, поларизације и сложених оптичких алгоритама.

Тотална унутрашња рефлексија: Основни принцип преноса светлости у таласоводима.

Зашто обичан, провидни равни лист може да преноси светлост са једног краја на други без икаквог цурења? Одговор лежи у принципу који се налази у средњошколским уџбеницима физике: Тотална унутрашња рефлексија (ТИР).

Када светлост путује из средине са већим индексом преламања у средину са нижим индексом преламања и упадни угао премашује критични угао, светлост се не прелама преко границе; уместо тога, она пролази кроз тоталну унутрашњу рефлексију и рефлектује се назад у медијум са високим индексом преламања.

АР оптички таласоводи користе управо овај принцип: сноп слике који емитује микро-дисплеј је колимиран од стране пројекционог система и улази у таласовод кроз улазно подручје спајања на једном крају; шири се унутар таласовода преко тоталне унутрашње рефлексије и коначно се екстрахује кроз структуру излазног споја на другом крају, усмеравајући светлост у око корисника. Разлика у индексу преламања између подлоге таласовода и околног ваздуха ограничава светлост, омогућавајући јој да се шири унутар танког стакла или смоле.

Међутим, укупна унутрашња рефлексија намеће значајно ограничење: ширење светлости унутар таласовода није произвољно; само светлост која испуњава специфичне угаоне услове може да се стабилно шири. Ако светлост падне ван подржаног опсега, може доћи до цурења. Ово ограничење ширења директно утиче на видно поље (ФОВ) АР наочара—то јест, угаони опсег преко којег виртуелна слика покрива видно поље корисника. Ово је физичко ограничење које се може прецизно описати формулом. Под претпоставком да један микропројектор упарује светлосни сноп у таласовод – где је индекс преламања таласоводног медија н , а ваздуха 1 – максимално подржано видно поље за један микропројектор задовољава следеће:

Када је индекс преламања (н) 1,5, теоријско видно поље (ФОВ) је око 30°; при н = 1,75, теоретски опсег се повећава на приближно 48°; и како се н приближава 2, теоретски се може проширити даље до око 60°. Ово је кључни разлог зашто је ФОВ АР наочара углавном годинама остао у опсегу од 30°–40°: изван ограничења оптичке архитектуре, индекс преламања материјала је критичан фактор који утиче на проширење ФОВ.

Треба напоменути, међутим, да ФОВ у стварном АР систему није одређен само индексом преламања; такође је под утицајем комбинације фактора, укључујући нумерички отвор (НА) микро-дисплеја, дизајн оптичког мотора, таласоводну структуру, метод проширења зенице и оптичку униформност.

Природно видно поље (ФОВ) једног људског ока је приближно 160° × 130°, са бинокуларним хоризонталним преклапањем које прелази 120°. Тренутни АР системи, са ФОВ у опсегу од само неколико десетина степени, и даље су знатно испод природног видног поља људског ока, остављајући простора за побољшање покривености виртуелних слика. Сходно томе, истраживање материјала са вишим индексима преламања, оптимизација структура таласовода и повећање ефикасности система постали су кључни правци у развоју АР оптике.

Силицијум карбид: нова истраживања материјала са високим индексом преламања

Последњих година, силицијум карбид (СиЦ) се појавио као материјал са високим индексом преламања од значајног интереса у области АР оптике. Са индексом преламања који достиже приближно 2,6–2,7, нуди јасне предности у односу на традиционалне материјале од оптичког стакла и смоле. Теоретски, већи индекс преламања проширује угаони опсег простирања светлости који подржава таласовод, пружајући нову материјалну опцију за АР дисплеје са широким видним пољима. Напори истраживања и валидације у вези са решењима таласовода заснованим на материјалима са високим индексом преламања такође стално напредују. На пример, прототип Мета Орион показао је потенцијал за постизање широког видног поља помоћу СиЦ таласовода, наглашавајући обећање материјала са високим индексом преламања у сектору АР екрана.

Међутим, материјали са високим индексом преламања нису једино решење за сваки оптички изазов. За дифракционе оптичке таласоводе, дуготрајно питање је појава дугиних артефаката: када амбијентална светлост (као што је сунчева светлост) удари у дифракциону решетку на површини таласовода, светлост различитих таласних дужина пролази кроз различите степене дисперзије, што доводи до обојених ресица постављених на видно поље. Материјали са високим индексом преламања могу изменити карактеристике ширења светлости унутар таласовода и олакшати оптимизацију дизајна дифракционих структура, чиме се ублажава утицај дугиних артефаката.

Тим са Универзитета Вестлејк је демонстрирао налазе истраживања о дифракционим таласоводима заснованим на СиЦ материјалима, постижући напредак у минијатуризацији, високој оптичкој ефикасности и ублажавању дугиних артефаката, чиме се отварају нови путеви за развој таласовода са високим индексом преламања.

Штавише, СиЦ поседује високу топлотну проводљивост. Док топлотна проводљивост идеалног монокристалног СиЦ може да достигне приближно 490 В/(м·К) – цифра која се обично смањује у фабрикованим таласоводним уређајима због фактора као што су дефекти решетке, технике обраде и структура материјала – она остаје знатно виша од оне код конвенционалног стакла. Ово имплицира да СиЦ нуди јасне предности управљања топлотом за системе АР дисплеја високе осветљености, помажући да се побољша укупна стабилност система.

Међутим, висок индекс преламања такође представља изазове у производњи. Због високе тврдоће СиЦ, традиционалне методе машинске обраде се боре да испуне захтеве за израду сложених наноструктура. Примене које укључују дифракционе таласоводе захтевају процесе као што је високо прецизно јеткање да би се створиле структуре наноразмера на површини материјала. Тренутно, СиЦ таласоводи прелазе са експерименталне валидације на индустријализацију; питања у вези са трошковима, ефикасношћу обраде и могућностима масовне производње остају да се реше.

Од 'Линије' до 'Површине': Димензионални скок у проширењу излазне зенице

Када светлост уђе у таласовод, следећи изазов је да га уједначено емитује док покрива опсег кретања људског ока. Излазна зеница светлосног снопа који генерише микро-дисплеј је типично величине само неколико милиметара; међутим, пошто се око природно креће током употребе, ограничена излазна зеница мора бити проширена да би се створила област „окна за очи“ погодна за гледање. Овај процес је познат као Екит Пупил Екпансион (ЕПЕ).

Геометријски оптички таласоводи: прецизно пројектовање низова огледала

Геометријски оптички таласоводи користе низ уграђених полурефлектујућих огледала да прогресивно дистрибуирају светлосну енергију преко више рефлектујућих површина. Како светлост наиђе на сваку рефлектујућу површину, део енергије се рефлектује из таласовода у око корисника, док остатак наставља да се шири унутар таласовода. Прецизна контрола односа преноса и рефлексије ових површина омогућава ширење зрака дуж једне димензије.

Напреднији дводимензионални низ геометријских таласовода укључује два сета површинских низова за цепање снопа оријентисаних у различитим правцима да би се постигло ширење светлости иу хоризонталним и у вертикалним димензијама; ово проширује „кутију за очи“ у две димензије, чиме се повећава толеранција за позиционирање слушалица. Одређени дизајни таласовода 2Д низа могу постићи видно поље које се протеже на десетине степени уз одржавање дебљине у милиметарском опсегу кроз структурну оптимизацију.

Геометријски таласоводи обично нуде врхунски квалитет слике и перформансе боја, заједно са мањим ризиком од артефаката дуге. Међутим, њихове вишеслојне полурефлективне/полутрансмисионе структуре намећу строге захтеве у погледу прецизности премаза, структурног поравнања и конзистентности производње; сходно томе, сложеност процеса и трошкови производње остају подручја за сталну оптимизацију.

Дифрактивни оптички таласоводи и површинске рељефне решетке: Технологија контроле светлости наноразмера

Дифракциони оптички таласоводи користе потпуно другачији приступ: уместо уграђивања рефлектора унутар таласовода, периодичне структуре наноразмера – конкретно, површинске рељефне решетке (СРГ) – се производе на површини таласовода или унутар његове структуре. СРГ се обично креирају коришћењем процеса као што су литографија електронским снопом, литографија наноимпринта или јеткање јонским снопом да би се формирали физички узорци решетке на површини таласовода, са карактеристичним димензијама у распону од десетина до стотина нанометара.

Основни принцип рада СРГ-а може се описати једначином решетке:

На слици испод приказан је шематски приказ структуре типичне косе решетке у софтверу ОАС; пројектовањем периода решетке, радног циклуса, дубине и косог угла, ефикасност дифракције за различите таласне дужине и редослед дифракције може се прецизно контролисати.

У АР таласоводима, СРГ се обично састоји од три главна функционална региона:

· Ин-цоуплинг решетка: Одговорна је за спајање колимираног светлосног снопа који емитује микропројекциони мотор у таласовод, обезбеђујући да испуњава услове за потпуну унутрашњу рефлексију.

· Окретање решетке (решетка за проширење): Мења смер простирања светлости—обично преусмеравајући светлост која се хоризонтално шири у вертикални смер—да би се постигло једнодимензионално проширење зенице.

· Оут-цоуплинг решетка: Равномерно издваја светлост из таласовода и усмерава је у око корисника да би се приказао екран.

Ова архитектура „три решетке“ омогућава дифракционим таласоводима да постигну дводимензионално проширење излазне зенице са релативно једноставном структуром уз одржавање танког оптичког профила, што га чини кључним технолошким правцем за АР наочаре за потрошаче. У поређењу са геометријским таласоводима, дифракциони таласоводи нуде предности као што су лагани, танки фактор форме и већа флексибилност дизајна; неки дизајни могу постићи дебљине у милиметарском или чак под-милиметарском опсегу.

СРГ алати за пројектовање и оптимизацију: Пошто су димензије решеткастих структура упоредиве са таласном дужином светлости, традиционалне методе геометријске оптике не могу тачно да опишу њихово оптичко понашање; сходно томе, потребне су методе електромагнетне симулације као што је ригорозна анализа спрегнутих таласа (РЦВА). РЦВА функционише тако што дели област решетке на више танких слојева и користи Фуријеову експанзију да опише дистрибуцију електромагнетног поља; затим решава Максвелове једначине да би израчунао ефикасност и поларизациони одговор различитих редова дифракције.

Интеграцијом алгоритама као што је оптимизација роја честица (ПСО), инжењери могу да идентификују супериорне дизајне унутар параметарског простора дефинисаног варијаблама као што су период решетке, дубина, радни циклус и нагибни угао. На пример, у случају С-поларизоване светлости на таласној дужини од 550 нм, оптимизација параметара може повећати ефикасност дифракције са приближно 56% на преко 94,7%.

Кључне предности СРГ-а:

• Ултра-једноставна структура са дебљином испод 0,5 мм;

• Висока флексибилност дизајна, омогућавајући контролу угла снопа, униформности и поларизације кроз морфологију решетке;

• Погодно за јефтину масовну производњу користећи технологију нано отиска (нпр. за АР наочаре за потрошаче).

Инхерентни изазови СРГ-а:

• Дугини артефакти: До дисперзије долази када амбијентално светло (као што је сунчева светлост) удари у површинску решетку, стварајући обојене ресе. Супстрати са високим индексом преламања (нпр. СиЦ) могу да потисну овај ефекат.

• Дисперзија: До дисперзије долази када амбијентално светло (као што је сунчева светлост) удари у површинску решетку, стварајући обојене ресе. Супстрати са високим индексом преламања (нпр. СиЦ) могу да потисну овај ефекат.

• Ниска оптичка ефикасност: ефикасност дифракције у једном пролазу је типично 10%–30%; укупна ефикасност захтева побољшање кроз оптимизацију профила решетке или каскадне дизајне.

• Осетљивост на поларизацију: СРГ показују значајно различите одговоре на различита стања поларизације, што захтева употребу поларизованих извора светлости или уређаја за конверзију поларизације.

Стога се развој дифракционих оптичких таласовода фокусира не само на постизање тањих структура, већ на постизање боље равнотеже између оптичке ефикасности, униформности, видног поља (ФОВ) и прилагодљивости околини.

Физичка равнотежа између ефикасности и униформности

Дифракциони оптички таласоводи су се дуго суочавали са фундаменталним сукобом: повећање осветљености екрана захтева повећање ефикасности спајања решетке; међутим, већа ефикасност може довести до повећане паразитске дифракције и цурења енергије—нарочито са широким видним пољима—и на тај начин угрозити униформност приказа. Супротно томе, давање приоритета униформности у превеликом степену може доћи по цену укупне оптичке ефикасности. Овај сукоб између ефикасности и униформности произилази из пасивног одговора конвенционалних решетки на поларизациона стања и путање ширења.

Последњих година, холографске решетке запремине поларизације (ПВГ) понудиле су нови пут за оптимизацију. За разлику од површинских рељефних решетки, ПВГ користе периодичну структуру индекса преламања формирану унутар материјала путем холографске интерференције да би модулирали ширење светлости. Истраживања су показала да, под специфичним условима, ПВГ могу да искористе механизме конверзије поларизације како би побољшали ефикасност ширења светлости и смањили губитке енергије узроковане одређеним ефектима паразитске дифракције. Међу њима, значајну пажњу је привукао механизам конверзије аномалне поларизације (АПЦ).

Активним модулисањем поларизационог стања светлости да би се усмерило више оптичке енергије дуж циљне путање, овај механизам има потенцијал да побољша ефикасност спајања и уједначеност осветљења. Међутим, технологије као што су ПВГ и АПЦ остају под активним истраживањем; њихова широка практична примена захтева даљу валидацију у погледу система материјала, производних процеса и исплативости.

Микро-дисплеј и системска интеграција: укупни баланс оптичког система

Оптички таласоводи служе као „проводници“, док оптички мотор на предњем крају — микро-дисплеј — одређује осветљеност, контраст и боју. Тренутно, примарни путеви технологије микро дисплеја који се истражују у области АР дисплеја близу очију укључују Мицро-ОЛЕД, ЛЦоС/ДЛП и Мицро ЛЕД.

Мицро-ОЛЕД: Релативно зрело решење за екран близу очију

Нуди изузетно висок контраст (у распону милион према један) и највиши ниво зрелости. Типична осветљеност ока се креће од 1.000 до 1.250 нита, пружајући основну читљивост у умерено светлим окружењима, иако перформансе остају недовољне при јаком спољашњем светлу. Док неки узорци могу да постигну вршне нивое осветљености од десетина хиљада нита, потрошња енергије и животни век су ограничавајући фактори.

ЛЦоС/ДЛП: Приступ високе осветљености, али са изазовима у погледу минијатуризације.

Способни да постигну нивое осветљености од десетина хиљада нита, ови системи имају гломазне оптичке моторе (4–6 цц) и високе захтеве за управљање топлотом, што отежава постизање танког, лаганог фактора форме.

Микро ЛЕД: кључни кандидат за будуће АР дисплеје

Са теоретском осветљеношћу која прелази 100.000 нита, запремином мањом од 0,5 цц, и ​​животним веком који прелази 100.000 сати — уз врхунску компатибилност са СиЦ таласоводима — сматра се врхунским решењем. Међутим, принос масовног преноса за дисплеје у пуној боји остаје примарно инжењерско уско грло, а тренутне могућности још увек не испуњавају захтеве за масовну производњу потрошачког квалитета.

Штавише, компромиси између видног поља (ФОВ), кутије за очи, дебљине таласовода, ефикасности спајања и потрошње енергије чине АР оптички дизајн сличним решавању проблема оптимизације унутар простора параметара високе димензије. Ово објашњава зашто АР наочаре које заиста испуњавају захтеве потрошачког нивоа тек треба да буду широко прихваћене: изазов није у изводљивости било које појединачне технологије, већ у постизању супериорног нивоа холистичке равнотеже у целом систему.

Синергијски напредак АР оптике кроз више техничких путева

АР технологија оптичких таласовода тренутно пролази кроз континуирану еволуцију. С једне стране, материјали са високим индексом преламања нуде нове могућности за проширење видног поља и оптимизацију оптичких перформанси; са друге стране, технологије као што су ПВГ и контрола поларизације баве се компромисом између оптичке ефикасности и униформности у дифракцијским таласоводима. У међувремену, развој нових технологија микро дисплеја као што је МицроЛЕД ће даље покретати еволуцију АР система ка већој осветљености и компактнијим факторима облика.

Различити сценарији примене намећу различите захтеве у погледу видног поља, тежине, цене, трајања батерије и квалитета екрана; сходно томе, будуће тржиште АР наочара ће вероватно видети коегзистенцију више техничких решења.

Од укупне унутрашње рефлексије до материјала са високим индексом преламања, и од геометријских рефлексијских структура и дифракционих решетки до холографске технологије поларизационе запремине, еволуција оптичких таласовода је у суштини континуирана потрага за контролом ширења светлости са већом прецизношћу. Сваки технолошки напредак представља пробој у границе својстава материјала, оптичког дизајна и производних процеса.

У будућности, како се оптички системи, технологије микро дисплеја и рачунарска снага даље приближавају, АР наочаре су спремне да се приближе циљу да буду природније, лакше и погодније за целодневну употребу. Оптички таласоводи ће остати критична основна технологија која одређује доживљај приказа АР наочара.

Извор: Саставили Вухан Ериуан Тецхнологи и Аибанг Зхизао