แนวทางใหม่สำหรับท่อนำคลื่น AR: การแบ่งเขตตามโพลาไรซ์ช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอของความสว่างของต้นแบบเป็น 70%
การเข้าชม: 0 ผู้แต่ง: บรรณาธิการเว็บไซต์ เวลาเผยแพร่: 2026-11-06 ที่มา: เว็บไซต์
ท่อนำคลื่นในแว่นตา AR จำเป็นต้องมีระยะขอบในการเคลื่อนไหวของดวงตา ซึ่งเป็นแนวคิดที่เรียกว่า 'กล่องตา' อย่างไรก็ตาม กล่องตาที่ใหญ่กว่าหมายความว่าแสงที่ฉายจะถูกกระจายไปยังพื้นที่ที่กว้างขึ้น ในขณะที่รูม่านตาของผู้ใช้จะจับภาพได้เพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้น การเพิ่มกำลังของเครื่องยนต์ขนาดเบาเพียงอย่างเดียวจะส่งผลให้มีการใช้พลังงานมากขึ้นและภาระความร้อนมากขึ้น เป็นไปได้ไหมที่จะรักษาระยะการทำงานของกล่องตาไว้โดยให้แสงสว่างเฉพาะบริเวณที่ต้องการจริงในช่วงเวลาใดก็ตาม
บทความโดย Nilsen et al. ซึ่งตีพิมพ์ใน Advanced Photonics Research ในปี 2569 เสนอแนวทางเฉพาะ: การแบ่งพื้นที่การแยกนักเรียนออกออกเป็นโซนที่ตอบสนองต่อสถานะโพลาไรเซชันแบบวงกลมที่แตกต่างกัน และใช้โพลาไรเซชันอินพุตเพื่อเลือกโซนที่ใช้งานอยู่ แทนที่จะส่องสว่างทั้งกล่องตาขนาดใหญ่พร้อมกัน วิธีนี้ใช้ 'กล่องตาเล็กที่สลับได้' เพื่อให้ครอบคลุมช่วงที่กว้างกว่าและใช้งานได้
ความสูญเสียเกิดขึ้นที่ใดในการขยายรูม่านตาแบบเดิม?
ในระบบแสดงภาพระยะใกล้ (NED) ท่อนำคลื่นมักจะได้รับภาพจากกลไกออปติคัลผ่านอินพุตคัปปลิ้ง จากนั้นแสงจะแพร่กระจายผ่านท่อนำคลื่นผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด (TIR) ก่อนที่จะส่งไปยังดวงตาของผู้ใช้โดยเอาต์พุตคัปเปลอร์ เพื่อให้แน่ใจว่าขอบเขตการมองเห็นทั้งหมดยังคงมองเห็นได้แม้ในขณะที่ดวงตาเปลี่ยนตำแหน่ง เอาต์พุตคัปปลิ้งจะต้องจำลองรูม่านทางออกไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ ความท้าทายคือในแต่ละครั้งที่ลำแสงกระทบกับเอาท์พุตคัปเปลอร์ พลังงานส่วนหนึ่งอาจถูกดึงออกมา ผลที่ตามมาคือเมื่อแสงแพร่กระจาย พลังงานที่เหลืออยู่สำหรับส่วนต่อๆ ของเอาต์พุตคัปเปลอร์จะลดลง ซึ่งอาจนำไปสู่การไล่ระดับความสว่างที่เห็นได้ชัดเจนทั่วทั้งกล่องตา
บทความนี้จะศึกษาตะแกรงปริมาตรโพลาไรเซชัน (PVG) ที่ใช้เป็นเอาท์คัปเปลอร์ PVG แสดงการเลือกสรรโดยพิจารณาจากความถนัดของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม ผู้เขียนได้แบ่งส่วนที่อาจเป็น out-coupling พื้นที่เดียวซึ่งครอบคลุมขอบเขตทั้งหมดของกล่องตาออกเป็นสองส่วนที่มีความยาวเท่ากัน ส่วนแรกตอบสนองต่อแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านซ้าย (LCP) และอีกส่วนเป็นแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านขวา (RCP) ด้วยการสลับโพลาไรเซชันอินพุต แสงจะส่องไปตามเส้นทางอินคัปปลิ้งและเอาท์คัปปลิ้งเฉพาะ โดยส่องสว่างเฉพาะครึ่งพื้นที่ที่เลือกเท่านั้น
สิ่งสำคัญคือต้องแยกแยะระหว่างสองแนวคิดที่สับสนได้ง่าย: ช่วงที่สามารถระบุตำแหน่งได้ทั้งหมดและพื้นที่ที่ส่องสว่างในช่วงเวลาใดก็ตาม แม้ว่าทั้งสองส่วนที่รวมกันจะครอบคลุมความยาวเดิมของกล่องตา แต่จะมีเพียงส่วนเดียวเท่านั้นที่ทำงานในแต่ละครั้ง สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้จริง การทำให้บริเวณที่มีแสงสว่างสามารถติดตามรูม่านตาได้นั้นจะต้องใช้เทคโนโลยีการติดตามดวงตาร่วมกับสวิตช์โพลาไรเซชันที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ ต้นแบบที่นำเสนอในรายงานไม่รวมระบบวงปิดดังกล่าว แต่อาศัยโพลาไรเซอร์เชิงเส้นและแผ่นคลื่นสี่ส่วนสำหรับการสลับโพลาไรเซชันแบบแมนนวล
จะตรวจสอบผลงานวิจัยได้อย่างไร？
ผู้เขียนได้เปรียบเทียบการออกแบบเอาท์คัปเปลอร์แบบเต็มความยาวกับการออกแบบโซนคู่โดยใช้ OpticStudio การจำลองเบื้องต้นใช้ลำแสงสี่เหลี่ยมคอลลิเมตขนาด 550 นาโนเมตร ท่อนำคลื่นยาว 55 มม. x หนา 1 มม. (ดัชนีการหักเหของแสง 1.8) และเอาท์คัปเปลอร์ที่มีคาบ 400 นาโนเมตร พื้นที่รวมของเอาท์คัปเปลอร์แบบดูอัลโซนนั้นเหมือนกันกับพื้นที่ของเวอร์ชั่นเต็ม ความสม่ำเสมอของกล่องตาสำหรับลำแสงรับภาพส่วนกลางดีขึ้นจาก 35.8% เป็น 69.4% ในบทความนี้ ความสม่ำเสมอหมายถึงอัตราส่วนของความเข้มต่ำสุดต่อความเข้มสูงสุดภายในพื้นที่ตัวอย่าง โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ มันไม่ได้แสดงถึงประสิทธิภาพการมองเห็นโดยรวมของระบบ
ต่อมา ผู้เขียนได้สร้างต้นแบบแบบโซนคู่และเปรียบเทียบกับเอาท์คัปเปลอร์แบบเต็มความยาว 15 มม. การออกแบบโซนคู่ประกอบด้วยส่วนยาว 7.5 มม. สองส่วน โดยแต่ละส่วนตอบสนองต่อโพลาไรซ์วงกลมที่ตรงกันข้าม การทดสอบด้วยเลเซอร์ 532 นาโนเมตรที่อุบัติการณ์ปกติแสดงให้เห็นว่า สำหรับตัวอย่างที่มีประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนต่ำกว่า ความสม่ำเสมอดีขึ้นจาก 44.0% เป็น 70.1% ด้วยกำลังทั้งหมด 9.11 μW และ 9.85 μW ตามลำดับ โดยวัดผ่านรูรับแสงประมาณ 6 มม. × 15 มม. แม้ว่าผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนข้ออ้างที่ว่า 'การแบ่งพาร์ติชันช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอ' แต่ค่าพลังงานรวมสำหรับตัวอย่างทั้งสองประเภทนั้นเป็นเพียงการเปรียบเทียบเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะระบุว่ามีการตรวจสอบความสว่างสองเท่าแล้ว
ผู้เขียนยังได้ปรับองค์ประกอบของวัสดุคริสตัลเหลว ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของตะแกรงเอาท์คัปปลิ้งจากประมาณ 60.5% เป็น 74% สำหรับตัวอย่างแบบเต็มความยาวและตัวอย่างโซนคู่ที่สอดคล้องกัน ค่าความสม่ำเสมอคือ 15.9% และ 38.8% ตามลำดับ ในขณะที่กำลังทั้งหมดที่วัดได้ภายในกล่องตาคือ 10.52 μW และ 11.01 μW การเพิ่มอัตราส่วนเอาท์คัปปลิ้งจะทำให้แสงส่วนใหญ่ออกจากท่อนำคลื่นเร็วขึ้น ดังนั้น การเพิ่มขึ้นของกำลังทั้งหมดอาจเกิดขึ้นพร้อมกับการลดลงของความสม่ำเสมอเชิงพื้นที่ แนวทางแบบโซนคู่ช่วยลดการแลกเปลี่ยนนี้ แม้ว่าจะไม่ได้กำจัดออกไปทั้งหมดก็ตาม บทความนี้ยังนำเสนอการออกแบบและการจำลองระบบการขยายรูม่านตาทางออกสองมิติแบบสี่โซน ในรุ่นแยกที่ใช้แสงคอลลิเมต 532 นาโนเมตร ความสม่ำเสมอดีขึ้นจาก 19.2% เป็น 51.2% เนื่องจากการกำหนดค่าสี่โซนยังไม่ได้รับการตรวจสอบเชิงทดลอง ตัวเลขนี้จึงไม่สามารถวางในระดับหลักฐานเดียวกันกับผลลัพธ์ที่วัดได้จากต้นแบบสองโซนดังกล่าวข้างต้น
ความสว่างและกล่องตา: เหนือกว่าปัจจัยการขยายเดียว
ผู้เขียนใช้แบบจำลองหนึ่งมิติที่เรียบง่ายเพื่อแสดงให้เห็นถึงศักยภาพ: สมมติว่าประสิทธิภาพเอาท์คัปปลิ้ง 20% ต่อการโต้ตอบ โดยมีการโต้ตอบ 10 ครั้งเกิดขึ้นในพื้นที่เอาท์คัปปลิ้งความยาวเต็ม เทียบกับ 5% ในพื้นที่คัปปลิ้งความยาวครึ่งเดียว ความสม่ำเสมอที่คำนวณได้คือประมาณ 41% สำหรับขอบเขตครึ่งความยาว และ 13% สำหรับขอบเขตเต็มความยาว ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพเอาท์คัปปลิ้งของพื้นที่ครึ่งความยาวในทางทฤษฎี เป็นไปได้ในทางทฤษฎีที่จะดึงพลังงานทั้งหมดที่เทียบได้กับพื้นที่เต็มความยาวจากพื้นที่ที่มีแสงสว่างน้อยกว่า ส่งผลให้ความเข้มของแสงเฉพาะจุดสูงเกือบสองเท่า
อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้น 'สองเท่า' นี้แสดงถึงขีดจำกัดบนที่ได้มาจากแบบจำลองในอุดมคติ แทนที่จะเป็นการเพิ่มความสว่างที่วัดได้จากเชิงประจักษ์สำหรับต้นแบบทางกายภาพ ในความเป็นจริง ประสิทธิภาพของ PVG (Polarization Volume Grating) จะแตกต่างกันไปตามความยาวคลื่น มุม และสถานะโพลาไรเซชัน นอกจากนี้ โพลาไรเซชันดริฟท์ระหว่างการแพร่กระจายและการสูญเสียที่ส่วนต่อประสานระหว่างเลเยอร์ก็สามารถเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ได้เช่นกัน ที่สำคัญกว่านั้น หากเลือกขอบเขตที่เล็กกว่า ระบบจะต้องสลับแบบไดนามิกหากสายตาของผู้ใช้เลื่อนไปทางขอบเขตหรือไปยังพื้นที่อื่น ถ้าทั้งสองภูมิภาคสว่างพร้อมกัน จะต้องกระจายพลังงานที่มีอยู่ระหว่างกัน ด้วยเหตุนี้ การกล่าวอ้างว่า 'ขยาย' eye-box และ 'enhanced' ความสว่าง—ดังที่แนะนำไว้ในชื่อเรื่องของบทความ—ควรเข้าใจว่าเป็นความเป็นไปได้ในการออกแบบที่แตกต่างกันสองประการที่นำเสนอโดยสถาปัตยกรรม แทนที่จะเป็นประโยชน์ที่สามารถทำได้พร้อมกันและไม่มีเงื่อนไข
ยังต้องใช้อะไรอีกในการทำให้สิ่งนี้กลายเป็นแว่นตา?
สำหรับนักออกแบบระบบ คุณค่าของบทความนี้ไม่เพียงแต่อยู่ที่การใช้ตะแกรงชนิดอื่นเท่านั้น แต่ยังอยู่ในการเปลี่ยนแนวทางในการขยายรูม่านตาออกด้วย: การย้ายจาก 'การให้แสงสว่างแบบพาสซีฟทั่วทั้งพื้นที่' ไปสู่ 'การกระจายแสงตามตำแหน่งของรูม่านตา' สิ่งนี้ยังทำให้เกิดความท้าทายทางวิศวกรรมใหม่ๆ:
การติดตามดวงตาแบบวงปิด
จำเป็นต้องตรวจสอบความแม่นยำในการติดตาม เวลาแฝงที่เกี่ยวข้องกับการสลับโพลาไรเซชัน และความต่อเนื่องของภาพในขณะที่ดวงตาเคลื่อนที่ผ่านโซนต่างๆ ต้นแบบที่นำเสนอในรายงานยังไม่ได้ตรวจสอบระบบวงปิดนี้
ขอบเขตและ Crosstalk
ขอบเขตระหว่างโซนอาจตัดขอบเขตการมองเห็น (FOV) ในขณะที่เส้นทางที่เชื่อมต่อกันโดยไม่ได้ตั้งใจอาจทำให้ภาพ 'ผี' (แสงเล็ดลอด) ปรากฏขึ้นในบริเวณที่ไม่ได้เลือก แม้ว่าบทความนี้จะนำเสนอภาพถ่ายของภาพผีเหล่านี้ แต่ก็ไม่ได้ให้งบประมาณที่ยอมรับได้ซึ่งสามารถนำไปใช้โดยตรงกับการออกแบบการผลิตจำนวนมาก
สีสันและขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง
การทดลองมีพื้นฐานมาจากการตั้งค่าสีเดียวขนาด 532 นาโนเมตร การบรรลุประสิทธิภาพสีเต็มรูปแบบจำเป็นต้องระบุถึงลักษณะการกระจายตัวและการตอบสนองเชิงมุมของตะแกรงปริมาตรโพลาไรเซชัน (PVG) และตัวเบี่ยงเฟสเรขาคณิตที่ใช้ในการออกแบบสี่โซน ผู้เขียนยังทราบด้วยว่าการเพิ่มจำนวนโซนอาจส่งผลให้เกิดการตัดทอน FOV หรือ crosstalk แบบออปติคัล
การผลิตและการจัดตำแหน่งหลายชั้น
เครื่องต้นแบบแบบโซนคู่ประกอบด้วยท่อนำคลื่นสองตัวที่มีการตอบสนองแบบโพลาไรซ์ที่แตกต่างกัน เชื่อมโยงเข้าด้วยกันโดยมีช่องว่างอากาศอยู่ระหว่างนั้น เมื่อจำนวนโซนเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างอินคัปเปลอร์ ข้อต่อพับ และเอาท์คัปเปลอร์จะซับซ้อนมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การวางแนวที่ไม่ตรงอาจทำให้เกิดการเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ระหว่างภาพที่ผลิตโดยโซนต่างๆ
ดังนั้น ข้อสรุปที่เชื่อถือได้จากงานนี้คือ ภายใต้เงื่อนไขเอกรงค์เฉพาะ การกำหนดค่าต้นแบบ และพารามิเตอร์การวัดที่แสดงในกระดาษ การแบ่งเขตแบบเลือกโพลาไรเซชันช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของความสว่างของกล่องตาได้อย่างมาก นอกจากนี้ โครงการสองมิติสี่โซนยังมีศักยภาพในการขยายที่ดียิ่งขึ้นอีกด้วย หากวัตถุประสงค์คือระบบ AR แบบเต็มสีที่สวมใส่ได้ ปัจจัยเพิ่มเติม เช่น ประสิทธิภาพการมองเห็น ระยะการมองเห็น เวลาแฝงของการเคลื่อนที่ต่อโฟตอน ครอสทอล์ค และความทนทานต่อการประกอบ จะต้องได้รับการประเมินภายในกรอบงานข้อกำหนดระดับระบบที่ครอบคลุม
สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับแว่นตาที่ขับเคลื่อนด้วย AI น้ำหนักเบา
คุณค่าของแนวทาง 'การเชื่อมต่อแบบแบ่งโซน' นี้อยู่ที่การนำเสนอทางเลือกทางวิศวกรรมใหม่ๆ สำหรับการกระจายเอาท์พุตเชิงแสงในท่อนำคลื่น แทนที่จะจัดหาโซลูชันสีเต็มรูปแบบที่พร้อมสำหรับการผลิต ที่ SOTECH เมื่อประเมินเทคโนโลยีการแสดงภาพระยะใกล้ เรายังประเมินความสามารถของพวกเขาในการมอบผลประโยชน์ที่จับต้องได้ในสถานการณ์การใช้งานจริง เช่น ความสามารถในการอ่านภายใต้แสงกลางแจ้งที่สว่างจ้า การใช้พลังงานและการสร้างความร้อนระหว่างการสึกหรอเป็นเวลานาน ความสม่ำเสมอของกล่องตา และความสมดุลที่ละเอียดอ่อนระหว่างน้ำหนักอุปกรณ์โดยรวมและความสบายของผู้สวมใส่
สำหรับแว่นตา AI น้ำหนักเบา เช่น โซเทค G55, จุดเน้นในปัจจุบันอยู่ที่การทำงานร่วมกันระหว่างเลนส์นำคลื่นที่เป็นผู้ใหญ่ จอแสดงผล Micro-LED และการออกแบบโครงสร้างแบบผสมผสาน เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูล เช่น คำบรรยาย ข้อความแจ้งการนำทาง หรือข้อความแจ้งทางไกล ยังคงชัดเจนและคงที่ในระหว่างการใช้งานในแต่ละวัน โดยไม่บดบังขอบเขตการมองเห็นตามธรรมชาติของผู้ใช้ เนื่องจากเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การติดตามดวงตา การสลับโพลาไรเซชัน และการเชื่อมต่อแบบแบ่งโซนยังคงพัฒนาต่อไป วิธีการที่คล้ายกันสามารถช่วยให้อุปกรณ์ดังกล่าวบรรลุความสมดุลที่ละเอียดยิ่งขึ้นระหว่างความสว่าง ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และคุณภาพของประสบการณ์กล่องตา
