Шта је АР дифракциони таласовод?

Дифрактивни таласовод је главно решење за оптички дисплеј за АР наочаре. Многи АР уређаји усвајају ову технологију. Зашто главни произвођачи АР хардвера толико воле дифракционе таласоводе? Шта је тачно дифракциони таласовод?

01 Дефиниција дифракционог таласовода

Да бисмо стекли дубље разумевање, термин „дифракциони таласовод“ можемо поделити на два дела: дифракцију и таласовод.

Обично знамо да се светлост може ширити на три начина: праволинијско ширење, рефлексија и преламање. На пример, инфрацрвени нишани, перископи и начин на који сламка изгледа савијена када се стави у воду заснивају се на ова три принципа. Дифракција је, с друге стране, четврти начин на који светлост може да се шири.

У 17. веку, италијански професор математике Франческо Грималди открио је и сковао термин „дифракција“, који потиче од латинске речи „диффрингере“, што значи „разбити се на комаде“. Ово се односи на првобитни правац ширења таласа који је „разбијен“ и савијен у различитим правцима.

У својим експериментима, пропуштао је сноп светлости кроз два мала отвора и на екран у мрачној просторији, посматрајући образац светлих и тамних пруга на ивицама пројекције. Дакле, дифракција се односи на физичку појаву у којој се правац простирања таласа мења када наиђе на препреке или прорезе.

Због чињенице да се приметни ефекти дифракције могу приметити само када је величина препреке или ширина прореза упоредива са таласном дужином таласа или мања од ње, често је тешко уочити дифракцију светлости у нашем свакодневном животу. Међутим, под одређеним посебним условима можемо га посматрати. На пример, феномен 'славе' који се види на небу, који се појављује као шарени ореол око сенки, резултат је сунчеве светлости која се пробија кроз мале капљице воде и кристале леда у облацима.

Након што смо разговарали о дифракцији, шта је тачно таласовод?

У нашем свету постоје различите врсте таласа, укључујући светлосне таласе, звучне таласе и електромагнетне таласе.

Таласовод је уређај који преноси ове таласе са једне локације на другу. Дакле, светлосни таласовод је медијум или уређај који води светлосне таласе док се шире.

Са разумевањем и дифракције и таласовода, можемо дефинисати дифракциони таласовод: једноставно речено, то је медијум који користи дифракцију светлости да води светлосне таласе док путују.

Дифракциони таласовод

Да бисмо даље објаснили, дифракциони таласовод је дизајниран да користи дифракциона својства решетки за стварање „светлосне путање“, омогућавајући светлости да се шири дуж унапред одређене руте и усмерава светлост која се емитује из система микропројекције у људско око.

Дифракциона решетка, оптички елемент са периодичном структуром, је основна компонента дифракционог таласовода. На основу типа коришћене решетке, дифракциони таласоводи се могу категорисати у два типа: таласоводи са површинском рељефном решетком и таласоводи запремине холографске решетке.

02 Рељефна површина таласовода

Површинске рељефне решетке се стварају 'вајањем' високих врхова и ниских долина на површини материјала кроз процесе као што су фотолитографија и јеткање. Овом техником израде постиже се периодична структура која испуњава потребне оптичке перформансе.

Ове решетке манипулишу светлошћу која је у интеракцији са њима, омогућавајући ефективну дифракцију и вођење светлости унутар таласовода. Површинске рељефне решетке се широко користе због своје једноставности у производњи и њихове способности да се интегришу у различите оптичке системе.

СЕМ слика површинске рељефне решетке

Површински рељефни решеткасти таласовод да води светлост која се емитује из микропројекционог система (оптичког мотора) у људско око, светлост мора проћи кроз процесе спајања и спајања. Конкретно, светлост која се емитује из оптичког мотора улази у таласовод кроз улазну решетку, шири се кроз тоталну унутрашњу рефлексију унутар равног таласовода и коначно се преноси на људско око преко излазне решетке. Улазне и излазне решетке које се овде користе су површинске рељефне решетке.

Због наноразмерних карактеристика решетке које су упоредиве са таласном дужином светлости, светлост не треба сматрати обичним зрацима, већ третирати као електромагнетне таласе. Када светлост удари у решетку, она се подвргава дифракцији више реда.

На пример, ако оптички мотор емитује монохроматско светло (као што је зелено светло), ово светло ће се поделити на неколико снопова који путују у различитим правцима (редови дифракције) након што ударе у улазну решетку. Један од ових редова дифракције који није нула (нпр. +1 ред) ће задовољити услов укупне унутрашње рефлексије равног таласовода, омогућавајући му да уђе и шири се кроз таласовод преко укупне унутрашње рефлексије. Овај специфични редослед дифракције се назива радним редом дифракционог таласовода. Прецизном контролом параметара као што су период, радни циклус, дубина жлеба и угао бочне стране решетке, већина светлосне енергије се може концентрисати у радни ред дифракционог таласовода, ефективно спајајући већину светлосне енергије у таласовод. Овај процес је познат као процес спајања дифрактивног таласовода.

Сходно томе, када светлост која се шири кроз тоталну унутрашњу рефлексију унутар дифракционог таласовода наиђе на излазну решетку, такође ће произвести неколико редова дифракције. Један од ових реда који није нула изаћи ће из дифракционог таласовода у одређеном правцу, а затим ће ући у људско око. Ово је познато као процес спајања дифракционог таласовода.

Ако оптички мотор емитује обојено светло, поред горе наведених процеса, биће укључене и друге сложености. Због различитих таласних дужина различитих боја светлости, њихова дифракциона ефикасност ће се такође разликовати. Сходно томе, током ширења, енергија сваке боје светлости може бити изгубљена у различитим степенима, што доводи до дисперзије. Оптимизацијом различитих параметара решетке, решетка може прецизно да контролише енергију различитих таласних дужина светлости, чиме се минимизирају проблеми дисперзије и на крају нам омогућава да видимо слике са тачним бојама.

Да би се позабавила сложеним питањима дифракције решетке, компанија је развила свеобухватан пакет софтвера за прорачун за различите типове решетки, заснован на Фуријеовом модалном методу (ФММ), који може брзо и прецизно израчунати проблеме дифракције у вези са решеткама.

Штавише, компанија поседује потпуно опремљен центар за главну обраду решетки и комплетан систем масовне производње за дифракционе таласоводе, постижући блиску координацију између дизајна и производње. Приликом пројектовања решетки, могу се узети у обзир могућности обраде мастера и производне технике, омогућавајући правовремена прилагођавања и оптимизације када се појаве проблеми, што резултира брзим циклусом итерације производа.

Дифрактивни таласовод, који је веома фаворизован од стране великих произвођача АР хардвера, посебно се односи на таласовод са површинском рељефном решетком. Његове предности укључују танак дизајн, велико видно поље, широк распон покрета очију и ниске трошкове масовне производње, због чега се нашироко сматра главним путем технологије дисплеја у АР индустрији.

03 Волуме Холограпхиц Гратинг Вавегуиде

Процес ширења светлости у таласоводу са запреминском холографском решетком је у основи сличан оном у таласоводу са површинском рељефном решетком.

Кључна разлика лежи у томе како се ствара запреминска холографска решетка. Уместо да буде „скулптисана“, запреминска холографска решетка се формира излагањем фотоотпорног филма на супстрату интерферентним обрасцима створеним од два кохерентна снопа светлости. Овај процес генерише периодичну просторну дистрибуцију са различитим индексима преламања на молекуларном нивоу. Волуменске холографске решетке обично раде под условима Брагове дифракције.

Шта су Брегови услови дифракције?

Године 1912. немачки научник Макс фон Лауе открио је феномен дифракције рендгенских зрака у кристалима, постављајући темеље за проучавање физике дифракције рендгенских зрака. Исте године Лоренс Брег је кроз поновљене студије у Лабораторији Кевендиш закључио да је овај феномен врста ефекта дифракције таласа.

Године 1913. Лоренс Браг и његов отац Хенри Браг су заједно предложили Брагову форму дифракције рендгенских зрака (познату као Брагова дифракција). Открили су да када таласи субатомских честица уђу у кристал, ако је таласна дужина таласа честица близу удаљености између атома у кристалу, таласи честица ће бити распршени од стране атома на начин сличан огледалу. Ово расејање ће резултирати конструктивном интерференцијом према Браговом закону, формирајући концентрисане врхове таласа (познате као Брегови врхови). Брегови услови су критеријуми који морају бити испуњени да би дошло до конструктивног мешања.

Шематски дијаграм Брагове дифракције

На основу принципа Брегове дифракције, када светлосни таласи испуњавају Брегове услове, запреминске холографске решетке могу постићи веома високу ефикасност дифракције. Међутим, Брегови услови намећу строге захтеве за угао и таласну дужину упадне светлости. Ако ови услови нису испуњени, ефикасност дифракције може брзо пасти. Ово резултира запреминским холографским решеткастим таласоводима који се боре да постигну добру униформност боје, што не испуњава захтеве тржишта.

Тренутно, таласоводи са холографском решетком показују значајне празнине у поређењу са таласоводима са рељефном површином у погледу перформанси приказа, комерцијализације производа и индустријске подршке.

04 Резиме

АР дифракциони таласоводи користе карактеристике дифракције решетки за дизајнирање „светлосних путања“, омогућавајући да се светлост која се емитује из система микропројекције усмери у људско око. На основу типа коришћене дифракционе решетке, дифракциони таласоводи се могу класификовати на таласоводе са површинском рељефном решетком и таласоводе са запреминским холографским решеткама.

Површински рељефни решеткасти таласоводи нуде предности као што су мала тежина, велико видно поље, широк распон покрета очију и ниски трошкови масовне производње. Сходно томе, они се широко сматрају главном технологијом приказа у АР индустрији. Док таласоводи са запреминским холографским решеткама показују веома високу ефикасност дифракције, они се боре са уједначеношћу боје због строгих услова Брегове дифракције и још увек су у раним фазама развоја технологије, што захтева значајан напредак да би се постигла открића.

Са текућим технолошким напретком и побољшањима у обради, АР дифракциони таласоводи засновани на површинским рељефним решеткама почињу да улазе на потрошачко тржиште. Верује се да ће у будућности пружити изузетна искуства АР приказа за више произвођача АР хардвера.