Како функционише технологија дифрактивног таласовода на дисплеју за АР наочаре

У нашем претходном чланку, „Шта је АР дифракциони таласовод?“, објаснили смо основне принципе дифракционих таласовода и истакли разлике између таласовода са површинском рељефном решетком и таласовода са запреминским холографским решеткама. Данас ћемо дубље ући у основне функције и правце оптимизације дифракционих таласовода, расправљајући о томе зашто се дифракциони таласоводи засновани на површинским рељефним решеткама појављују као главна технологија приказа за АР наочаре.

01 Основне функције дифракционих таласовода

1. Изометријски пренос слике

Из наших ранијих чланака знамо да, да би дифракциони таласовод усмерио светлост која се емитује из микропројекционог система (оптичког мотора) у људско око, мора да прође кроз процесе спајања и спајања. Конкретно, светлост коју емитује оптички мотор улази у раван таласовод кроз спојну решетку, шири се унутар њега тоталном унутрашњом рефлексијом и коначно се преноси до ока помоћу излазне решетке за спајање.

Најважнији аспект овог процеса је потпуна унутрашња рефлексија. Али шта је заправо тотална унутрашња рефлексија?

Тотална унутрашња рефлексија настаје када светлост путује из средине са већим индексом преламања у средину са нижим индексом преламања, а упадни угао је већи или једнак критичном углу. Када су испуњени услови за потпуну унутрашњу рефлексију, светлост ће се непрекидно ширити кроз раван таласовод рефлексијом, а да се не одашиље, дозвољавајући на тај начин да се промени смер светлости. Позната природна појава која је резултат тоталне унутрашње рефлексије је фатаморгана.

Обично, АР наочаре дају слике помоћу оптичког механизма. Међутим, постављање оптичког мотора директно на сочиво би ометало поглед корисника и било би визуелно непривлачно. Штавише, ослањање искључиво на оптички механизам не би постигло жељени ефекат спајања виртуелних и стварних слика.

Користећи принцип потпуне унутрашње рефлексије, дифракциони таласоводи могу да изврше изометријски пренос слика које пројектује оптички мотор, омогућавајући оптичком мотору да буде позициониран на врху или са стране наочара. Овај приступ не само да избегава ометање видокруга корисника, већ такође, због велике брзине преноса светлости и танког профила дифракционог таласовода, приближава АР наочаре по изгледу уобичајеним наочарима, док се постиже жељени ефекат виртуелно-стварне интеграције.

Важно је напоменути да је дифракциони таласовод одговоран искључиво за пренос слике до ока и не утиче на садржај саме слике, што значи да нема могућност да увећа или смањи величину слике.

2. Дводимензионално проширење зенице

Стандардним оптичким екранским решењима обично недостају могућности проширења зенице, ограничавајући гледаоцу да види слике само у опсегу величине излазне зенице оптичког мотора (тј. опсега покрета очију). На пример, ако излазна зеница оптичког мотора мери φ5мм, корисник може да види слику само у опсегу φ5мм. Ово је слично гледању на свет кроз шпијунку, што значајно умањује урањање и визуелно искуство.

Да би се решио овај проблем, дифракциони таласоводи могу постићи дводимензионално проширење зенице, повећавајући излазну зеницу уз задржавање компактне величине и широког видног поља. Ово ефективно повећава опсег кретања очију у оба смера, пружајући појачан осећај урањања и побољшано визуелно искуство, док се такође прилагођава различитим међузеничним растојањима. Ово представља другу основну функцију дифракционих таласовода.

Генерално, постоје два приступа за имплементацију дводимензионалног проширења зенице. Први укључује коришћење три једнодимензионалне решетке (тј. спојна решетка, решетка за савијање и спојна решетка). Други приступ користи једну једнодимензионалну решетку (спојна решетка) и једну дводимензионалну решетку (спојна решетка).

У првом приступу, светлост која се емитује из оптичког мотора спаја се у таласовод кроз спојну решетку. Светлост тада пролази кроз потпуну унутрашњу рефлексију и удара у решетку за савијање, где се део светлости преусмерава на решетку за спајање, док преостала светлост наставља да се шири напред кроз рефлексију. Ово светло ће поново ударити у решетку за савијање, а други део ће бити преусмерен на решетку за спајање. Овај процес се понавља да би се постигло једнодимензионално проширење зенице.

Коначно, светлост која доспева до спојне решетке ће имати део тога да се дифрагује у око, док преостала светлост наставља да се шири напред кроз рефлексију, поново у интеракцији са излазном решетком за спајање. Овај процес резултира у другом правцу једнодимензионалног проширења зенице. Када се ове две једнодимензионалне експанзије комбинују, стварају дводимензионално проширење зенице.

У другом приступу, процес такође почиње спајањем светлости која се емитује из оптичког мотора у таласовод помоћу спојне решетке. Светлост тада пролази кроз потпуну унутрашњу рефлексију и удара у дводимензионалну спојну решетку. У овом тренутку, део светлости се прелама у око, док се преостала светлост дели и наставља да се шири напред кроз рефлексију у хоризонталном и вертикалном правцу.

Светлост ће тада поново ступити у интеракцију са излазном решетком, где се други део прелама у око. Овај процес се понавља, ефективно постижући дводимензионално проширење зенице.

Горе описани физички процеси дводимензионалних шема проширења зенице. За поређење, прва шема је релативно једноставнија у смислу дизајна и израде дифракционог таласовода, али заузима више укупне површине сочива. Друга шема, с друге стране, захтева употребу дводимензионалних решетки, које су сложеније за пројектовање и производњу, што их чини изазовнијим за имплементацију. Међутим, овај приступ резултира компактнијом укупном структуром, омогућавајући смањење површине сочива.

Коришћењем дводимензионалног проширења зенице, не само да можемо повећати опсег покрета очију и побољшати урањање корисника, већ и смањити тежину и димензије оптичког мотора у хоризонталном и вертикалном правцу, чинећи АР наочаре лакшим и прилагодљивијим.

Важно је напоменути да док дводимензионално проширење зенице реплицира слику више пута, ми заправо перципирамо само једну слику, а не више слика. То је зато што слика коју преноси спојна решетка није стварна, већ виртуелна. Поред тога, људски мозак има тенденцију да се обмане пратећи проширену линију вида светлосних снопова које види. Светлосни снопови генерисани проширењем зенице одговарају различитим угловима исте виртуелне слике, тако да без обзира на то колико различитих положаја проширених светлосних снопова око перципира, они ће се вратити до исте слике на основу проширене линије вида.

На пример, то је слично посматрању свеће кроз равно огледало. Светлост свеће се одбија од огледала и улази у око, које затим тражи виртуелну слику на основу продужене линије светлосних зрака. Три светлосна зрака приказана на дијаграму могу се схватити као проширени светлосни снопови на три различита положаја у дифракционом таласоводу. Као што је приказано на дијаграму, када видимо ова три светлосна снопа истовремено, сви они упућују на исту слику.

Поред тога, постоји уобичајена заблуда да дифракциони таласоводи имају ниску енергетску ефикасност. У стварности, ова перцепција настаје током процеса постизања дводимензионалног проширења зенице, где дифракциони таласовод треба да подели светлосну енергију на много делова и да је равномерно распореди по свакој позицији излазне зенице. Као резултат, енергија по јединици површине је природно смањена. Међутим, ако бисмо сакупили све светлосне зраке из дифракционог таласовода у око, открили бисмо да његова енергетска ефикасност заправо није ниска.

Дакле, примарни разлог за уочену ниску енергетску ефикасност дифракционих таласовода је проширење зенице. Међутим, експанзија је значајна карактеристика дифракционих таласовода, и као што је раније поменуто, нуди бројне предности. Стога је од суштинског значаја максимизирати енергетску ефикасност уз одржавање одређеног нивоа проширења зенице.

02 Три главна правца оптимизације за дифракционе таласоводе

1. Оптимизација ефикасности дифракције светлости

Као што је раније поменуто, многи људи сматрају да дифракциони таласоводи имају ниску енергетску ефикасност. Да би се решио овај проблем, неопходно је побољшати енергетску ефикасност оптимизацијом ефикасности дифракције светлости уз одржавање одређеног нивоа проширења зенице.

Пошто је величина карактеристика наносмера решетки упоредива са таласном дужином светлости, неопходно је да се светлост третира не као обични зраци, већ као електромагнетни таласи током ширења. Када светлост удари у решетку, она се дели у неколико различитих праваца (редова дифракције), и неизбежно се део светлосне енергије губи у процесу.

Да бисмо осигурали да је већина светлосне енергије спојена у дифракциони таласовод, обично бирамо одређени ред дифракције који није нула (који испуњава услове укупне унутрашње рефлексије) као радни ред дифракционог таласовода. Прецизном контролом параметара као што су период решетке, радни циклус, дубина жлеба и угао бочне стране, можемо оптимизовати ефикасност дифракције светлости, концентришући већину светлосне енергије у овај радни ред. Ово, заузврат, повећава енергетску ефикасност и омогућава повећану осветљеност слике.

2. Оптимизација ефикасности дифракције за различите углове упада

Још један важан фактор који треба узети у обзир приликом оптимизације решетке је утицај упадног угла светлости на ефикасност дифракције.

Пошто слика коју пројектује оптички мотор формира светлосну површину, светлост са различитих позиција на овој површини улази у дифракциони таласовод под различитим угловима. За дифракционе таласоводе, различити углови упада доводе до различите ефикасности дифракције, што доводи до недоследности у укупној осветљености слике.

Стога, поред оптимизације ефикасности дифракције за одређени ред дифракције, такође је од суштинског значаја да се оптимизује ефикасност дифракције за светлост под различитим угловима упада да би се обезбедила уједначена осветљеност.

3. Оптимизација ефикасности дифракције за различите таласне дужине

Различите боје светлости имају различите таласне дужине, што утиче на њихову ефикасност дифракције. Поред тога, различите таласне дужине резултирају различитим угловима дифракције, што значи да ће током процеса ширења зенице, фреквенција интеракције различитих боја светлости са излазном решетком такође варирати. Ова два фактора чине изазов за сваку боју светлости да уђе у око са једнаким енергетским пропорцијама, што доводи до проблема са уједначеношћу боје. Стога је тешко постићи добру униформност боја на сликама коришћењем једнослојног дифракционог таласовода.

Да би се осигурало да светлост различитих таласних дужина излази са једнаким енергетским пропорцијама, обично се користи вишеслојно (два слоја или више) слагање дифракционих таласовода. Сваки слој дифракционог таласовода је оптимизован да контролише и појачава енергију за одређени опсег таласних дужина, а истовремено потискује унакрсно преслушавање између слојева. Овај приступ обезбеђује да светлост различитих таласних дужина коначно уђе у око са једнаким енергетским пропорцијама, побољшавајући уједначеност боја и приказујући нормалне, живописне слике.

03 Резиме

С једне стране, дифракциони таласоводи имају две основне функције: изометријски пренос слике и дводимензионално проширење зенице. На основу ових функција, оне омогућавају АР наочаре да буду лагане и танке, а да прихвате шири круг корисника, пружајући снажан осећај урањања и одлично визуелно искуство. Поред тога, интеграција полупроводничких процеса побољшава производност дифракционих таласовода, постављајући чврсту основу за АР наочаре за улазак на потрошачко тржиште.

С друге стране, као главна технологија приказа за АР наочаре, дифракциони таласоводи нуде велики потенцијал, али такође представљају значајну сложеност. Оптимизација ефикасности дифракције мора се разматрати са више аспеката, укључујући редослед дифракције, углове упада и таласне дужине.

Уз континуирани напредак у технологији и даљу оптимизацију перформанси, АР дифракциони таласоводи су спремни да донесу АР наочаре у домаћинства, сјајно сијајући у ери метаверзума.