จากการสะท้อนภายในโดยรวมไปจนถึงท่อนำคลื่น SiC: แว่นตา AR ทะลุผ่านคอขวดของออปติกจอแสดงผลได้อย่างไร

อุปสรรคทางเทคนิคหลักประการหนึ่งสำหรับแว่นตา AR ไม่ใช่แค่ตัวจอแสดงผลขนาดเล็กเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิธีการใช้ท่อนำคลื่นแสงเพื่อให้ได้ภาพซ้อนทับคุณภาพสูงบนโลกแห่งความเป็นจริงภายในเลนส์โปร่งใส

ท่อนำคลื่นแสงจะต้องส่งแสงจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งภายในความหนาเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ขณะเดียวกันก็รับประกันเอาท์พุตแสงที่สม่ำเสมอและการส่งผ่านเข้าสู่ดวงตามนุษย์อย่างแม่นยำ นี่ไม่ใช่แค่ 'ส่วนขยายของหน้าจอ' แต่เป็นความสำเร็จของวิศวกรรมด้านแสงที่ต้องการการควบคุมการแพร่กระจายของแสงอย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ได้รับการสนับสนุนจากการสำรวจวัสดุอย่างต่อเนื่อง การเลี้ยวเบน โพลาไรเซชัน และอัลกอริธึมเชิงแสงที่ซับซ้อน

การสะท้อนภายในทั้งหมด: หลักการพื้นฐานของการส่งผ่านแสงในท่อนำคลื่น

เหตุใดแผ่นเรียบโปร่งใสธรรมดาจึงสามารถส่งแสงจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งได้โดยไม่มีแสงรั่วออกมา คำตอบอยู่ในหลักการที่พบในหนังสือเรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมปลาย: Total Internal Reflection (TIR)

เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าไปยังตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าและมุมตกกระทบเกินมุมวิกฤต แสงจะไม่หักเหผ่านส่วนต่อประสาน แต่กลับผ่านการสะท้อนกลับภายในทั้งหมด และสะท้อนกลับเข้าไปในตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง

ท่อนำคลื่นแบบออปติคัล AR ใช้หลักการนี้: ลำแสงภาพที่ปล่อยออกมาจากไมโครจอแสดงผลจะถูกปรับเทียบโดยระบบการฉายภาพ และเข้าสู่ท่อนำคลื่นผ่านบริเวณเชื่อมต่ออินพุตที่ปลายด้านหนึ่ง มันแพร่กระจายภายในท่อนำคลื่นผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด และสุดท้ายถูกดึงออกมาผ่านโครงสร้างการเชื่อมต่อเอาท์พุตที่ปลายอีกด้าน เพื่อนำแสงเข้าสู่ดวงตาของผู้ใช้ ความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงระหว่างซับสเตรตท่อนำคลื่นและอากาศโดยรอบจะจำกัดแสง ทำให้สามารถแพร่กระจายภายในแผ่นแก้วหรือเรซินบางๆ

อย่างไรก็ตาม การสะท้อนภายในทั้งหมดทำให้เกิดข้อจำกัดที่สำคัญ นั่นคือ การแพร่กระจายของแสงภายในท่อนำคลื่นไม่ได้เกิดขึ้นเอง เฉพาะแสงที่ตรงตามเงื่อนไขเชิงมุมเท่านั้นที่สามารถแพร่กระจายได้อย่างเสถียร หากแสงตกนอกช่วงที่รองรับ อาจเกิดการรั่วไหลได้ ข้อจำกัดในการแพร่กระจายนี้ส่งผลโดยตรงต่อขอบเขตการมองเห็น (FOV) ของแว่นตา AR กล่าวคือ ช่วงเชิงมุมที่ภาพเสมือนครอบคลุมขอบเขตการมองเห็นของผู้ใช้ นี่คือขีดจำกัดทางกายภาพที่สามารถอธิบายได้อย่างแม่นยำด้วยสูตร สมมติว่าไมโครโปรเจ็กเตอร์เครื่องเดียวจับคู่ลำแสงเข้ากับท่อนำคลื่น โดยที่ดัชนีการหักเหของตัวกลางท่อนำคลื่นเป็น n และค่าอากาศเท่ากับ 1—ขอบเขตการมองเห็นสูงสุดที่รองรับสำหรับไมโครโปรเจ็กเตอร์เครื่องเดียวจะเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

เมื่อดัชนีการหักเหของแสง (n) เท่ากับ 1.5 มุมมองทางทฤษฎี (FOV) จะอยู่ที่ประมาณ 30°; ที่ n = 1.75 ช่วงทางทฤษฎีจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 48°; และเมื่อ n เข้าใกล้ 2 ในทางทฤษฎี มันสามารถขยายได้อีกประมาณ 60° นี่คือเหตุผลสำคัญว่าทำไม FOV ของแว่นตา AR โดยทั่วไปจึงยังคงอยู่ในช่วง 30°–40° เป็นเวลาหลายปี: นอกเหนือจากข้อจำกัดทางสถาปัตยกรรมด้านแสงแล้ว ดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการขยายตัวของ FOV

อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่า FOV ในระบบ AR จริงไม่ได้ถูกกำหนดโดยดัชนีการหักเหของแสงเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้ยังได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายอย่างรวมกัน เช่น ค่ารูรับแสงตัวเลข (NA) ของไมโครจอแสดงผล การออกแบบกลไกออปติคัล โครงสร้างท่อนำคลื่น วิธีการขยายตัวของรูม่านตา และความสม่ำเสมอของแสง

ลานมองธรรมชาติ (FOV) ของดวงตามนุษย์ข้างเดียวจะอยู่ที่ประมาณ 160° × 130° โดยที่กล้องส่องทางไกลจะเหลื่อมกันในแนวนอนเกิน 120° ระบบ AR ในปัจจุบัน ซึ่งมี FOV อยู่ในช่วงเพียงไม่กี่สิบองศา ยังคงขาดขอบเขตการมองเห็นตามธรรมชาติของดวงตามนุษย์อย่างมาก เหลือพื้นที่สำหรับการปรับปรุงความครอบคลุมของภาพเสมือนจริง ด้วยเหตุนี้ การสำรวจวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่สูงกว่า การปรับโครงสร้างท่อนำคลื่นให้เหมาะสม และการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ กลายเป็นทิศทางสำคัญในการพัฒนาเลนส์ AR

ซิลิคอนคาร์ไบด์: การสำรวจใหม่เกี่ยวกับวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้กลายเป็นวัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงซึ่งเป็นที่สนใจอย่างมากในด้านทัศนศาสตร์ AR ด้วยดัชนีการหักเหของแสงประมาณ 2.6–2.7 จึงมีข้อได้เปรียบที่เหนือกว่ากระจกออพติคอลและวัสดุเรซินแบบดั้งเดิม ตามทฤษฎีแล้ว ดัชนีการหักเหของแสงที่สูงขึ้นจะขยายช่วงเชิงมุมของการแพร่กระจายของแสงที่รองรับโดยท่อนำคลื่น ทำให้มีตัวเลือกวัสดุใหม่สำหรับจอแสดงผล AR ที่มีมุมมองที่กว้าง ความพยายามในการวิจัยและตรวจสอบความถูกต้องเกี่ยวกับโซลูชันท่อนำคลื่นที่ใช้วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงก็มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ต้นแบบ Meta Orion แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการบรรลุขอบเขตการมองเห็นที่กว้างโดยใช้ท่อนำคลื่น SiC โดยเน้นย้ำถึงคำมั่นสัญญาของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงในภาคการแสดงผล AR

อย่างไรก็ตาม วัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาด้านการมองเห็นทุกประเภทเท่านั้น สำหรับท่อนำคลื่นแบบออปติคอลแบบเลี้ยวเบน ปัญหาที่มีมายาวนานคือการปรากฏตัวของสิ่งแปลกปลอมที่เป็นสีรุ้ง: เมื่อแสงโดยรอบ (เช่น แสงแดด) กระทบกับตะแกรงการเลี้ยวเบนบนพื้นผิวท่อนำคลื่น แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะเกิดการกระจายตัวที่แตกต่างกัน ส่งผลให้ขอบสีซ้อนทับบนขอบเขตการมองเห็น วัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงสามารถเปลี่ยนลักษณะการแพร่กระจายของแสงภายในท่อนำคลื่น และอำนวยความสะดวกในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโครงสร้างการเลี้ยวเบน ซึ่งจะช่วยบรรเทาผลกระทบของสิ่งประดิษฐ์สายรุ้ง

ทีมงานจากมหาวิทยาลัย Westlake ได้แสดงให้เห็นถึงผลการวิจัยเกี่ยวกับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนโดยใช้วัสดุ SiC บรรลุความก้าวหน้าในการย่อขนาด ประสิทธิภาพการมองเห็นสูง และการบรรเทาปัญหาของสิ่งประดิษฐ์สีรุ้ง ซึ่งจะเป็นการเปิดช่องทางใหม่สำหรับการพัฒนาท่อนำคลื่นดัชนีการหักเหของแสงสูง

นอกจากนี้ SiC ยังมีค่าการนำความร้อนสูง แม้ว่าค่าการนำความร้อนของ SiC ผลึกเดี่ยวในอุดมคติจะสูงถึงประมาณ 490 W/(m·K) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วตัวเลขจะลดลงในอุปกรณ์ท่อนำคลื่นที่ประดิษฐ์ขึ้นเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย เทคนิคการประมวลผล และโครงสร้างของวัสดุ แต่ค่าดังกล่าวยังคงสูงกว่ากระจกทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ นี่หมายความว่า SiC มีข้อได้เปรียบด้านการจัดการระบายความร้อนที่แตกต่างกันสำหรับระบบจอแสดงผล AR ความสว่างสูง ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพของระบบโดยรวม

อย่างไรก็ตาม ดัชนีการหักเหของแสงที่สูงยังทำให้เกิดความท้าทายด้านการผลิตอีกด้วย เนื่องจาก SiC มีความแข็งสูง วิธีการตัดเฉือนแบบดั้งเดิมจึงประสบปัญหาในการตอบสนองข้อกำหนดสำหรับการผลิตโครงสร้างนาโนที่ซับซ้อน การใช้งานที่เกี่ยวข้องกับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนจำเป็นต้องมีกระบวนการต่างๆ เช่น การแกะสลักที่มีความแม่นยำสูงเพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโนบนพื้นผิวของวัสดุ ปัจจุบัน ท่อนำคลื่น SiC กำลังเปลี่ยนจากการตรวจสอบการทดลองไปสู่การทำให้เป็นอุตสาหกรรม ปัญหาเกี่ยวกับต้นทุน ประสิทธิภาพการประมวลผล และความสามารถในการผลิตจำนวนมากยังคงได้รับการแก้ไข

จาก 'เส้น' สู่ 'พื้นผิว': การก้าวกระโดดมิติในการขยายรูม่านตาทางออก

เมื่อแสงเข้าสู่ท่อนำคลื่น ความท้าทายต่อไปคือการส่งสัญญาณออกมาอย่างสม่ำเสมอและครอบคลุมช่วงการเคลื่อนไหวของดวงตามนุษย์ รูม่านตาทางออกของลำแสงที่สร้างโดยไมโครจอแสดงผล โดยทั่วไปจะมีขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตร อย่างไรก็ตาม เนื่องจากดวงตาเคลื่อนไหวตามธรรมชาติระหว่างการใช้งาน จึงต้องขยายรูม่านตาทางออกที่จำกัดเพื่อสร้างพื้นที่ 'ช่องมองภาพ' ที่เหมาะสำหรับการรับชม กระบวนการนี้เรียกว่า Exit Pupil Expansion (EPE)

ท่อนำคลื่นแสงเชิงเรขาคณิต: การออกแบบที่แม่นยำของอาร์เรย์กระจก

ท่อนำคลื่นแสงแบบเรขาคณิตใช้อาร์เรย์ของกระจกกึ่งสะท้อนแสงที่ฝังอยู่เพื่อกระจายพลังงานแสงอย่างต่อเนื่องไปยังพื้นผิวสะท้อนแสงหลายแบบ เมื่อแสงกระทบกับพื้นผิวสะท้อนแสงแต่ละพื้นผิว พลังงานส่วนหนึ่งจะสะท้อนออกจากท่อนำคลื่นเข้าสู่ดวงตาของผู้ใช้ ในขณะที่ส่วนที่เหลือยังคงแพร่กระจายภายในท่อนำคลื่น การควบคุมอัตราส่วนการส่งผ่านต่อการสะท้อนของพื้นผิวเหล่านี้อย่างแม่นยำ ช่วยให้ลำแสงขยายได้ในมิติเดียว

ท่อนำคลื่นเรขาคณิตอาเรย์สองมิติขั้นสูงเพิ่มเติมรวมอาเรย์พื้นผิวแยกลำแสงสองชุดที่มุ่งเน้นไปในทิศทางที่ต่างกันเพื่อให้เกิดการขยายตัวของแสงในมิติทั้งแนวนอนและแนวตั้ง ซึ่งจะขยาย 'กล่องตา' ในสองมิติ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความทนทานต่อการวางตำแหน่งชุดหูฟัง การออกแบบท่อนำคลื่นแบบอาเรย์ 2 มิติบางแบบสามารถให้ขอบเขตการมองเห็นที่ครอบคลุมหลายสิบองศา ในขณะที่ยังคงรักษาความหนาในช่วงมิลลิเมตรผ่านการปรับโครงสร้างให้เหมาะสม

โดยทั่วไปแล้ว ท่อนำคลื่นแบบเรขาคณิตจะให้คุณภาพของภาพและประสิทธิภาพสีที่เหนือกว่า พร้อมทั้งลดความเสี่ยงของการเกิดรุ้งกินน้ำ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างกึ่งสะท้อนแสง/กึ่งส่งผ่านหลายชั้นกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความแม่นยำในการเคลือบ การจัดตำแหน่งโครงสร้าง และความสม่ำเสมอในการผลิต ดังนั้นความซับซ้อนของกระบวนการและต้นทุนการผลิตจึงยังคงเป็นส่วนสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง

ท่อนำคลื่นแสงแบบเลี้ยวเบนและตะแกรงบรรเทาพื้นผิว: เทคโนโลยีควบคุมแสงระดับนาโน

ท่อนำคลื่นแบบออปติคอลแบบกระจายแสงใช้วิธีการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แทนที่จะฝังตัวสะท้อนแสงภายในท่อนำคลื่น โครงสร้างคาบแสงระดับนาโน โดยเฉพาะตะแกรงบรรเทาพื้นผิว (SRG) จะถูกประดิษฐ์ขึ้นบนพื้นผิวท่อนำคลื่นหรือภายในโครงสร้าง โดยทั่วไป SRG จะถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่น การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน การพิมพ์หินด้วยการพิมพ์แบบนาโน หรือการกัดด้วยลำแสงไอออน เพื่อสร้างรูปแบบตะแกรงทางกายภาพบนพื้นผิวท่อนำคลื่น โดยมีขนาดลักษณะเฉพาะตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยนาโนเมตร

หลักการทำงานหลักของ SRG สามารถอธิบายได้ด้วยสมการตะแกรง:

รูปด้านล่างแสดงแผนผังโครงสร้างของตะแกรงเอียงทั่วไปในซอฟต์แวร์ OAS ด้วยการออกแบบคาบเกรตติ้ง รอบการทำงาน ความลึก และมุมเอียง ทำให้สามารถควบคุมประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของความยาวคลื่นและลำดับการเลี้ยวเบนที่แตกต่างกันได้อย่างแม่นยำ

ในท่อนำคลื่น AR โดยทั่วไป SRG จะประกอบด้วยขอบเขตการทำงานหลักสามส่วน:

· ตะแกรงอินคัปปลิ้ง: รับผิดชอบในการต่อลำแสงคอลลิเมตที่ปล่อยออกมาจากเครื่องฉายภาพขนาดเล็กเข้ากับท่อนำคลื่น เพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามเงื่อนไขสำหรับการแพร่กระจายการสะท้อนภายในทั้งหมด

· ตะแกรงหมุน (ตะแกรงขยาย): เปลี่ยนทิศทางของการแพร่กระจายของแสง - โดยทั่วไปจะเปลี่ยนเส้นทางที่กระจายแสงในแนวนอนไปเป็นแนวตั้ง - เพื่อให้เกิดการขยายตัวของรูม่านตาในมิติเดียว

· ตะแกรงเอาท์คัปปลิ้ง: ดึงแสงจากท่อนำคลื่นอย่างสม่ำเสมอและส่องเข้าไปในดวงตาของผู้ใช้เพื่อสร้างจอแสดงผล

สถาปัตยกรรม 'สามตะแกรง' นี้ช่วยให้ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนสามารถขยายรูม่านตาทางออกแบบสองมิติด้วยโครงสร้างที่ค่อนข้างเรียบง่าย ขณะเดียวกันก็รักษาโปรไฟล์ออพติคอลที่บางเฉียบ ทำให้เป็นทิศทางทางเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับแว่นตา AR ระดับผู้บริโภค เมื่อเปรียบเทียบกับท่อนำคลื่นแบบเรขาคณิต ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนมีข้อดี เช่น น้ำหนักเบา รูปร่างบาง และความยืดหยุ่นในการออกแบบที่มากกว่า การออกแบบบางอย่างสามารถบรรลุความหนาได้ในช่วงมิลลิเมตรหรือต่ำกว่ามิลลิเมตร

เครื่องมือออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพ SRG: เนื่องจากขนาดของโครงสร้างตะแกรงเทียบได้กับความยาวคลื่นของแสง วิธีการทางทัศนศาสตร์แบบเรขาคณิตแบบดั้งเดิมจึงไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมทางแสงได้อย่างถูกต้อง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการจำลองแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) RCWA ดำเนินการโดยการแบ่งบริเวณตะแกรงออกเป็นชั้นบางๆ หลายชั้น และใช้การขยายฟูริเยร์เพื่ออธิบายการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นจึงแก้สมการของแมกซ์เวลล์เพื่อคำนวณประสิทธิภาพและการตอบสนองโพลาไรเซชันของลำดับการเลี้ยวเบนต่างๆ

ด้วยการผสานรวมอัลกอริธึม เช่น Particle Swarm Optimization (PSO) วิศวกรจึงสามารถระบุการออกแบบที่เหนือกว่าภายในพื้นที่พารามิเตอร์ที่กำหนดโดยตัวแปร เช่น ระยะเวลาตะแกรง ความลึก รอบการทำงาน และมุมเอียง ตัวอย่างเช่น ในกรณีของแสงโพลาไรซ์ S ที่ความยาวคลื่น 550 นาโนเมตร การปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนจากประมาณ 56% เป็นมากกว่า 94.7%

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ SRG:

• โครงสร้างเรียบง่ายเป็นพิเศษด้วยความหนาเพียง 0.5 มม.

• ความยืดหยุ่นในการออกแบบสูง ช่วยให้สามารถควบคุมมุมลำแสง ความสม่ำเสมอ และโพลาไรซ์ผ่านสัณฐานวิทยาของตะแกรง;

• เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากที่มีต้นทุนต่ำโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์แบบนาโน (เช่น สำหรับแว่นตา AR เกรดผู้บริโภค)

ความท้าทายโดยธรรมชาติของ SRG:

• สิ่งประดิษฐ์สีรุ้ง: การกระจายตัวเกิดขึ้นเมื่อแสงโดยรอบ (เช่น แสงแดด) กระทบกับตะแกรงพื้นผิว ทำให้เกิดขอบสี วัสดุพิมพ์ที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง (เช่น SiC) สามารถระงับผลกระทบนี้ได้

• การกระจายตัว: การกระจายตัวเกิดขึ้นเมื่อแสงโดยรอบ (เช่น แสงแดด) กระทบกับตะแกรงพื้นผิว ทำให้เกิดขอบสี วัสดุพิมพ์ที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง (เช่น SiC) สามารถระงับผลกระทบนี้ได้

• ประสิทธิภาพการมองเห็นต่ำ: โดยทั่วไปประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนผ่านครั้งเดียวจะอยู่ที่ 10%–30%; ประสิทธิภาพโดยรวมจำเป็นต้องปรับปรุงโดยการเพิ่มประสิทธิภาพโปรไฟล์ตะแกรงหรือการออกแบบแบบเรียงซ้อน

• ความไวของโพลาไรเซชัน: SRG แสดงการตอบสนองที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญต่อสถานะโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน โดยจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงโพลาไรซ์หรืออุปกรณ์แปลงโพลาไรซ์

ดังนั้น การพัฒนาท่อนำคลื่นแสงแบบเลี้ยวเบนจึงไม่เพียงมุ่งเน้นไปที่การบรรลุโครงสร้างที่บางลงเท่านั้น แต่ยังมุ่งเน้นไปที่การสร้างสมดุลที่ดีขึ้นระหว่างประสิทธิภาพทางแสง ความสม่ำเสมอ มุมมอง (FOV) และการปรับตัวด้านสิ่งแวดล้อม

ความสมดุลทางกายภาพระหว่างประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอ

ท่อนำคลื่นแสงแบบเลี้ยวเบนต้องเผชิญกับความขัดแย้งพื้นฐานมาเป็นเวลานาน: การเพิ่มความสว่างของจอแสดงผลจำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อตะแกรง อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสามารถนำไปสู่การเลี้ยวเบนของปรสิตและการรั่วไหลของพลังงานที่เพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง ส่งผลให้ความสม่ำเสมอของจอแสดงผลลดลง ในทางกลับกัน การจัดลำดับความสำคัญของความสม่ำเสมอในระดับที่มากเกินไปอาจทำให้ประสิทธิภาพการมองเห็นโดยรวมลดลง ความขัดแย้งระหว่างประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอนี้เกิดจากการตอบสนองแบบพาสซีฟของตะแกรงธรรมดาต่อสถานะโพลาไรเซชันและเส้นทางการแพร่กระจาย

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตะแกรงโฮโลแกรมปริมาณโพลาไรเซชัน (PVG) ได้เสนอแนวทางใหม่ในการเพิ่มประสิทธิภาพ ต่างจากตะแกรงบรรเทาพื้นผิว PVG ใช้โครงสร้างดัชนีการหักเหของแสงเป็นระยะที่เกิดขึ้นภายในวัสดุผ่านการรบกวนแบบโฮโลแกรมเพื่อปรับการแพร่กระจายของแสง การวิจัยแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ PVG สามารถใช้ประโยชน์จากกลไกการแปลงโพลาไรเซชันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแพร่กระจายของแสง และลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากผลการเลี้ยวเบนของปรสิตบางชนิด ในบรรดากลไกเหล่านี้ กลไกการแปลงโพลาไรเซชันที่ผิดปกติ (APC) ได้ดึงดูดความสนใจอย่างมาก

ด้วยการปรับสถานะโพลาไรเซชันของแสงอย่างแข็งขันเพื่อส่งพลังงานแสงไปตามเส้นทางเป้าหมายมากขึ้น กลไกนี้จึงมีศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อและความสม่ำเสมอของความสว่าง อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีเช่น PVG และ APC ยังคงอยู่ภายใต้การวิจัยเชิงรุก การใช้งานจริงในวงกว้างจำเป็นต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติมเกี่ยวกับระบบวัสดุ กระบวนการผลิต และความคุ้มค่า

การรวมไมโครจอแสดงผลและระบบ: ความสมดุลโดยรวมของระบบออปติคัล

ท่อนำคลื่นแบบออปติคอลทำหน้าที่เป็น 'ท่อร้อยสาย' ในขณะที่กลไกออปติคัลที่ส่วนหน้าซึ่งเป็นไมโครจอแสดงผลจะกำหนดความสว่าง คอนทราสต์ และสี ปัจจุบัน เส้นทางเทคโนโลยีไมโครจอแสดงผลหลักที่กำลังมีการสำรวจในด้านจอแสดงผล AR Near Eye ได้แก่ Micro-OLED, LCoS/DLP และ Micro LED

Micro-OLED: โซลูชันการแสดงภาพระยะใกล้ที่ค่อนข้างสมบูรณ์

โดยให้คอนทราสต์ที่สูงมาก (ในช่วงล้านต่อหนึ่ง) และวุฒิภาวะในระดับสูงสุด ความสว่างโดยทั่วไปที่ดวงตาอยู่ระหว่าง 1,000 ถึง 1,250 nits ทำให้สามารถอ่านค่าพื้นฐานได้ในสภาพแวดล้อมที่มีความสว่างปานกลาง แม้ว่าประสิทธิภาพจะยังไม่เพียงพอในแสงกลางแจ้งที่สว่างจ้าก็ตาม แม้ว่าตัวอย่างบางตัวอย่างสามารถบรรลุระดับความสว่างสูงสุดที่ 10,000 nits แต่การใช้พลังงานและอายุการใช้งานก็เป็นปัจจัยที่จำกัด

LCoS/DLP: วิธีการที่มีความสว่างสูง แต่มีความท้าทายเกี่ยวกับการย่อขนาด

ระบบเหล่านี้สามารถบรรลุระดับความสว่างได้นับหมื่นนิต โดยมีกลไกออปติคอลขนาดใหญ่ (4–6 ซีซี) และข้อกำหนดการจัดการระบายความร้อนในระดับสูง ทำให้ยากต่อการได้ฟอร์มแฟคเตอร์ที่บางและน้ำหนักเบา

Micro LED: ตัวเลือกหลักสำหรับจอแสดงผล AR ในอนาคต

ด้วยความสว่างตามทฤษฎีที่เกิน 100,000 นิต ปริมาณน้อยกว่า 0.5 ซีซี และอายุการใช้งานเกิน 100,000 ชั่วโมง นอกเหนือจากความเข้ากันได้ที่เหนือกว่ากับท่อนำคลื่น SiC แล้ว จึงถือเป็นโซลูชันขั้นสูงสุด อย่างไรก็ตาม อัตราการถ่ายโอนมวลสำหรับจอแสดงผลสีเต็มรูปแบบยังคงเป็นปัญหาคอขวดทางวิศวกรรมหลัก และความสามารถในปัจจุบันยังไม่เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการผลิตจำนวนมากในระดับผู้บริโภค

นอกจากนี้ การแลกเปลี่ยนระหว่างขอบเขตการมองเห็น (FOV) กล่องตา ความหนาของท่อนำคลื่น ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ และการใช้พลังงาน ทำให้การออกแบบออปติคอล AR คล้ายกับการแก้ปัญหาการปรับให้เหมาะสมภายในพื้นที่พารามิเตอร์มิติสูง สิ่งนี้อธิบายได้ว่าเหตุใดแว่นตา AR ที่ตรงตามข้อกำหนดระดับผู้บริโภคอย่างแท้จริงจึงยังไม่มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย ความท้าทายไม่ได้อยู่ที่ความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีใดๆ เพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่การบรรลุความสมดุลแบบองค์รวมในระดับที่เหนือกว่าทั่วทั้งระบบ

ความก้าวหน้าที่ทำงานร่วมกันของเลนส์ AR ผ่านเส้นทางทางเทคนิคที่หลากหลาย

เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแสง AR กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในด้านหนึ่ง วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงนำเสนอแนวทางใหม่ในการขยายขอบเขตการมองเห็นและเพิ่มประสิทธิภาพด้านการมองเห็น ในอีกทางหนึ่ง เทคโนโลยี เช่น PVG และการควบคุมโพลาไรเซชันกำลังแก้ไขปัญหาการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพเชิงแสงและความสม่ำเสมอในท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ในขณะเดียวกัน การพัฒนาเทคโนโลยีไมโครจอแสดงผลที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น MicroLED จะช่วยขับเคลื่อนวิวัฒนาการของระบบ AR ไปสู่ความสว่างที่สูงขึ้นและฟอร์มแฟคเตอร์ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น

สถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันกำหนดข้อกำหนดที่แตกต่างกันเกี่ยวกับขอบเขตการมองเห็น น้ำหนัก ต้นทุน อายุการใช้งานแบตเตอรี่ และคุณภาพการแสดงผล ด้วยเหตุนี้ ตลาดแว่นตา AR ในอนาคตจึงมีแนวโน้มที่จะเห็นการอยู่ร่วมกันของโซลูชันทางเทคนิคที่หลากหลาย

จากการสะท้อนภายในทั้งหมดไปจนถึงวัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงและจากโครงสร้างการสะท้อนทางเรขาคณิตและตะแกรงการเลี้ยวเบนไปจนถึงเทคโนโลยีโฮโลกราฟิกที่มีปริมาตรโพลาไรเซชัน วิวัฒนาการของท่อนำคลื่นแสงถือเป็นภารกิจอย่างต่อเนื่องในการควบคุมการแพร่กระจายของแสงด้วยความแม่นยำที่มากขึ้น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแต่ละครั้งแสดงถึงความก้าวหน้าในขอบเขตของคุณสมบัติของวัสดุ การออกแบบด้านการมองเห็น และกระบวนการผลิต

ในอนาคต เมื่อระบบออพติคัล เทคโนโลยีไมโครจอแสดงผล และพลังการประมวลผลมาบรรจบกันมากขึ้น แว่นตา AR ก็พร้อมที่จะเข้าใกล้เป้าหมายที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น น้ำหนักเบา และเหมาะสำหรับการใช้งานตลอดทั้งวัน ท่อนำคลื่นแสงจะยังคงเป็นเทคโนโลยีหลักที่สำคัญซึ่งกำหนดประสบการณ์การแสดงผลของแว่นตา AR

ที่มา: รวบรวมโดย Wuhan Eryuan Technology และ Aibang Zhizao