เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนทำงานอย่างไรในจอแสดงผลแว่นตา AR

ในบทความก่อนหน้าของเรา 'ท่อนำคลื่น AR Diffractive คืออะไร' เราได้อธิบายหลักการพื้นฐานของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนแบบเลี้ยวเบน และเน้นย้ำถึงความแตกต่างระหว่างท่อนำคลื่นแบบตะแกรงกระจายพื้นผิวและท่อนำคลื่นแบบตะแกรงโฮโลแกรมแบบปริมาตร วันนี้ เราจะเจาะลึกลงไปในฟังก์ชันหลักและทิศทางการปรับให้เหมาะสมของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน โดยอภิปรายการว่าทำไมท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนที่ยึดตามตะแกรงพื้นผิวจึงกลายเป็นเทคโนโลยีการแสดงผลกระแสหลักสำหรับแว่นตา AR

01 ฟังก์ชันหลักของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

1. การถ่ายโอนภาพสามมิติ

จากบทความก่อนหน้าของเรา เรารู้ว่าสำหรับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนที่จะควบคุมแสงที่ปล่อยออกมาจากระบบไมโครโปรเจ็กเตอร์ (เครื่องฉายภาพแบบออปติคอล) เข้าสู่ดวงตามนุษย์ นั้นจะต้องผ่านกระบวนการเชื่อมต่อเข้าและออก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสงที่ปล่อยออกมาจากกลไกออปติคอลจะเข้าสู่ท่อนำคลื่นแบบแบนผ่านตะแกรงคัปปลิ้ง แพร่กระจายภายในโดยการสะท้อนภายในทั้งหมด และสุดท้ายก็ถูกส่งไปยังดวงตาโดยตะแกรงคัปปลิ้งออก

สิ่งสำคัญที่สุดของกระบวนการนี้คือการสะท้อนภายในทั้งหมด แต่จริงๆ แล้ว การสะท้อนภายในทั้งหมดคืออะไร?

การสะท้อนภายในทั้งหมดเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าไปยังตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่า และมุมตกกระทบมากกว่าหรือเท่ากับมุมวิกฤต เมื่อตรงตามเงื่อนไขของการสะท้อนภายในทั้งหมด แสงจะแพร่กระจายอย่างต่อเนื่องผ่านท่อนำคลื่นแบบแบนโดยการสะท้อนโดยไม่ถูกส่งออกไป ซึ่งจะทำให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนแปลงได้ ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่รู้จักกันดีซึ่งเกิดจากการสะท้อนภายในทั้งหมดคือภาพลวงตา

โดยทั่วไปแล้ว แว่นตา AR จะส่งภาพออกมาโดยใช้กลไกออปติคอล อย่างไรก็ตาม การวางกลไกออพติคอลไว้บนเลนส์โดยตรงจะบดบังการมองเห็นของผู้ใช้และไม่สวยงามทางสายตา ยิ่งไปกว่านั้น การใช้กลไกออปติคัลเพียงอย่างเดียวจะไม่สามารถบรรลุผลตามที่ต้องการจากการรวมภาพเสมือนและภาพจริงเข้าด้วยกัน

ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนแบบเลี้ยวเบนใช้ประโยชน์จากหลักการของการสะท้อนภายในทั้งหมด สามารถทำการถ่ายโอนภาพสามมิติที่ฉายโดยกลไกออพติคัล ซึ่งช่วยให้สามารถวางตำแหน่งกลไกออพติคอลไว้ที่ด้านบนหรือด้านข้างของแว่นตาได้ วิธีการนี้ไม่เพียงแต่หลีกเลี่ยงการบดบังแนวการมองเห็นของผู้ใช้เท่านั้น แต่ยังเนื่องมาจากอัตราการส่งผ่านแสงที่สูงและรูปทรงที่บางของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ทำให้แว่นตา AR มีลักษณะใกล้เคียงกับแว่นตาทั่วไปมากขึ้น ขณะเดียวกันก็บรรลุผลตามที่ต้องการของการบูรณาการเสมือนจริง

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนมีหน้าที่รับผิดชอบในการถ่ายโอนภาพไปยังดวงตาเท่านั้น และไม่ส่งผลกระทบต่อเนื้อหาของภาพ ซึ่งหมายความว่าท่อนำคลื่นไม่สามารถขยายหรือลดขนาดภาพได้

2. การขยายรูม่านตาสองมิติ

โซลูชันการแสดงผลแบบออปติคัลมาตรฐานมักขาดความสามารถในการขยายรูม่านตา โดยจำกัดให้ผู้ดูมองเห็นภาพได้เฉพาะภายในช่วงของขนาดรูม่านตาทางออกของกลไกออปติคอล (เช่น ระยะการเคลื่อนไหวของดวงตา) ตัวอย่างเช่น หากรูม่านตาทางออกของออปติคอลเอ็นจิ้นมีขนาด φ5 มม. ผู้ใช้สามารถดูภาพได้ภายในช่วง φ5 มม. เท่านั้น สิ่งนี้คล้ายกับการมองโลกผ่านช่องมอง ซึ่งช่วยลดความดื่มด่ำและประสบการณ์การมองเห็นได้อย่างมาก

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนสามารถขยายรูม่านตาแบบสองมิติได้ โดยจะขยายรูม่านทางออกออกให้ใหญ่ขึ้น ในขณะเดียวกันก็รักษาขนาดที่กะทัดรัดและขอบเขตการมองเห็นที่กว้างไว้ สิ่งนี้จะเพิ่มระยะการเคลื่อนไหวของดวงตาทั้งสองทิศทางอย่างมีประสิทธิภาพ ให้ความรู้สึกถึงการดื่มด่ำและประสบการณ์การมองเห็นที่ดีขึ้น ขณะเดียวกันก็รองรับระยะห่างระหว่างรูม่านตาที่แตกต่างกัน นี่แสดงถึงฟังก์ชันหลักที่สองของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

โดยทั่วไปมีสองวิธีในการดำเนินการขยายรูม่านตาสองมิติ ประการแรกเกี่ยวข้องกับการใช้ตะแกรงสามมิติแบบสามมิติ (เช่น ตะแกรงข้อต่อ ตะแกรงดัด และตะแกรงต่อออก) วิธีที่สองใช้ตะแกรงแบบหนึ่งมิติ (ตะแกรงเชื่อมต่อ) และตะแกรงสองมิติหนึ่งชิ้น (ตะแกรงเชื่อมต่อออก)

ในแนวทางแรก แสงที่ปล่อยออกมาจากเครื่องฉายแสงจะถูกรวมเข้ากับท่อนำคลื่นผ่านตะแกรงคัปปลิ้ง จากนั้นแสงจะผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมดและกระทบกับตะแกรงดัดงอ โดยที่แสงส่วนหนึ่งจะเปลี่ยนเส้นทางไปยังตะแกรงเชื่อมต่อออก ในขณะที่แสงที่เหลืออยู่ยังคงแพร่กระจายไปข้างหน้าผ่านการสะท้อนกลับ แสงนี้จะกระทบกับตะแกรงดัดงออีกครั้ง และอีกส่วนหนึ่งจะเปลี่ยนเส้นทางไปยังตะแกรงข้อต่อออก กระบวนการนี้ทำซ้ำเพื่อให้เกิดการขยายตัวของรูม่านตาในมิติเดียว

ในที่สุด แสงที่ส่องถึงตะแกรงของข้อต่อจะหักเหบางส่วนเข้าตา ในขณะที่แสงที่เหลืออยู่ยังคงแพร่กระจายไปข้างหน้าผ่านการสะท้อน และจะมีปฏิกิริยากับตะแกรงของข้อต่อออกอีกครั้ง กระบวนการนี้ส่งผลให้เกิดการขยายตัวของรูม่านตาในทิศทางอื่น เมื่อนำส่วนขยายสองมิตินี้มารวมกัน จะทำให้เกิดการขยายตัวของรูม่านตาสองมิติ

ในแนวทางที่สอง กระบวนการยังเริ่มต้นด้วยการเชื่อมโยงแสงที่ปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์เชิงแสงเข้ากับท่อนำคลื่นโดยใช้ตะแกรงข้อต่อ จากนั้นแสงจะสะท้อนกลับภายในทั้งหมดและกระทบกับตะแกรงเชื่อมต่อแบบสองมิติ ณ จุดนี้ แสงส่วนหนึ่งจะเลี้ยวเบนเข้าไปในดวงตา ในขณะที่แสงที่เหลือจะถูกแบ่งออกและยังคงฉายไปข้างหน้าผ่านการสะท้อนทั้งในแนวนอนและแนวตั้ง

จากนั้นแสงจะโต้ตอบกับตะแกรงข้อต่อออกอีกครั้ง โดยที่อีกส่วนหนึ่งจะเลี้ยวเบนเข้าไปในดวงตา กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า ทำให้สามารถขยายรูม่านตาแบบสองมิติได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ข้างต้นจะอธิบายกระบวนการทางกายภาพของแผนการขยายรูม่านตาสองมิติ เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว รูปแบบแรกค่อนข้างง่ายกว่าในแง่ของการออกแบบและการสร้างท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน แต่จะใช้พื้นที่เลนส์โดยรวมมากกว่า ในทางกลับกัน รูปแบบที่สอง กำหนดให้ใช้ตะแกรงสองมิติ ซึ่งซับซ้อนกว่าในการออกแบบและผลิต ซึ่งทำให้ยากต่อการนำไปปฏิบัติ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ส่งผลให้โครงสร้างโดยรวมมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ส่งผลให้พื้นที่เลนส์ลดลง

ด้วยการใช้การขยายรูม่านตาแบบสองมิติ เราไม่เพียงแต่เพิ่มระยะการเคลื่อนไหวของดวงตาและเพิ่มความดื่มด่ำให้กับผู้ใช้ แต่ยังช่วยลดน้ำหนักและขนาดของกลไกออพติคอลทั้งในทิศทางแนวนอนและแนวตั้ง ทำให้แว่นตา AR เบาขึ้นและปรับเปลี่ยนได้มากขึ้น

สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าแม้ว่าการขยายรูม่านตาแบบสองมิติจะจำลองภาพหลายครั้ง แต่จริงๆ แล้ว เรารับรู้ได้เพียงภาพเดียว ไม่ใช่หลายภาพ เนื่องจากภาพที่ส่งผ่านตะแกรงคัปปลิ้งไม่ใช่ภาพจริง แต่เป็นภาพเสมือนจริง นอกจากนี้ สมองของมนุษย์ยังมีแนวโน้มที่จะหลอกลวงตัวเองโดยติดตามลำแสงที่มองเห็นเป็นแนวยาว ลำแสงที่เกิดจากการขยายตัวของรูม่านตานั้นสอดคล้องกับมุมที่แตกต่างกันของภาพเสมือนเดียวกัน ดังนั้นไม่ว่าตาจะมองเห็นตำแหน่งที่แตกต่างกันของลำแสงขยายจำนวนเท่าใด ลำแสงเหล่านี้จะลากกลับไปยังภาพเดียวกันโดยอิงจากแนวสายตาที่ขยายออกไป

ตัวอย่างเช่น คล้ายกับการสังเกตเทียนผ่านกระจกเงา แสงจากเทียนสะท้อนจากกระจกและเข้าสู่ดวงตา จากนั้นจะค้นหาภาพเสมือนจริงโดยอิงจากแนวเส้นที่ขยายออกไปของลำแสง รังสีของแสงทั้งสามที่ปรากฎในแผนภาพสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นลำแสงที่ขยายออกที่ตำแหน่งที่แตกต่างกันสามตำแหน่งในท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ดังที่แสดงในแผนภาพ เมื่อเราเห็นลำแสงทั้งสามลำพร้อมกัน ลำแสงทั้งหมดจะชี้ไปที่ภาพเดียวกัน

นอกจากนี้ ยังมีความเข้าใจผิดที่พบบ่อยว่าท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำ ในความเป็นจริง การรับรู้นี้เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการขยายรูม่านตาแบบสองมิติ โดยที่ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนจำเป็นต้องแบ่งพลังงานแสงออกเป็นหลายๆ ส่วนและกระจายอย่างเท่าๆ กันไปตามตำแหน่งของรูม่านตาทางออกแต่ละตำแหน่ง ส่งผลให้พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ลดลงตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม หากเรารวบรวมรังสีแสงทั้งหมดจากท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนเข้าไปในดวงตา เราจะพบว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานไม่ได้ต่ำเลยจริงๆ

ดังนั้น สาเหตุหลักที่ทำให้การรับรู้ประสิทธิภาพพลังงานต่ำของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนคือการขยายตัวของรูม่านตา อย่างไรก็ตาม การขยายตัวเป็นคุณลักษณะที่สำคัญของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน และตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การขยายตัวนี้มีข้อดีหลายประการ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้สูงสุดในขณะที่รักษาระดับการขยายตัวของรูม่านตาไว้ในระดับหนึ่ง

02 แนวทางการปรับให้เหมาะสมหลักสามประการสำหรับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

1. เพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของแสง

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น หลายๆ คนรับรู้ว่าท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของแสงให้เหมาะสม ขณะเดียวกันก็รักษาการขยายตัวของรูม่านตาในระดับหนึ่ง

เนื่องจากขนาดคุณลักษณะของตะแกรงระดับนาโนเทียบได้กับความยาวคลื่นของแสง จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องปฏิบัติต่อแสงไม่ใช่เป็นรังสีธรรมดา แต่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในระหว่างการแพร่กระจาย เมื่อแสงตกกระทบตะแกรง แสงจะถูกแบ่งออกเป็นหลายทิศทาง (ลำดับการเลี้ยวเบน) และพลังงานแสงบางส่วนจะสูญเสียไปในกระบวนการอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

เพื่อให้แน่ใจว่าพลังงานแสงส่วนใหญ่จะรวมเข้ากับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน โดยทั่วไปเราจะเลือกลำดับการเลี้ยวเบนที่ไม่เป็นศูนย์ (ซึ่งตรงตามเงื่อนไขการสะท้อนภายในทั้งหมด) เป็นลำดับการทำงานของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ด้วยการควบคุมพารามิเตอร์อย่างแม่นยำ เช่น ระยะเวลาตะแกรง รอบการทำงาน ความลึกของร่อง และมุมผนัง เราจึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของแสงได้อย่างเหมาะสม โดยมุ่งความสนใจไปที่พลังงานแสงส่วนใหญ่ในลำดับการทำงานนี้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานและเพิ่มความสว่างของภาพได้

2. เพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของมุมเหตุการณ์ที่ต่างกัน

ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ควรพิจารณาเมื่อปรับตะแกรงให้เหมาะสมคือผลกระทบของมุมตกกระทบของแสงที่มีต่อประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน

เนื่องจากภาพที่ฉายโดยกลไกออพติคัลจะสร้างพื้นผิวที่สว่าง แสงจากตำแหน่งที่แตกต่างกันบนพื้นผิวนี้จะเข้าสู่ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนในมุมที่ต่างกัน สำหรับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน มุมตกกระทบที่แตกต่างกันส่งผลให้ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนต่างกัน ส่งผลให้ความสว่างโดยรวมของภาพไม่สอดคล้องกัน

ดังนั้น นอกเหนือจากการปรับประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนให้เหมาะสมสำหรับลำดับการเลี้ยวเบนที่เฉพาะเจาะจงแล้ว ยังจำเป็นต้องปรับประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของแสงที่มุมตกกระทบต่างๆ ให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสว่างสม่ำเสมอ

3. การเพิ่มประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของความยาวคลื่นที่ต่างกัน

สีของแสงที่ต่างกันจะมีความยาวคลื่นต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของแสง นอกจากนี้ ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันยังส่งผลให้เกิดมุมการเลี้ยวเบนที่แตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าในระหว่างกระบวนการขยายตัวรูม่านตา ความถี่อันตรกิริยาของสีต่างๆ ของแสงกับตะแกรงที่เชื่อมต่อออกก็จะแตกต่างกันเช่นกัน ปัจจัยทั้งสองนี้ทำให้แสงแต่ละสีเข้าตาด้วยสัดส่วนพลังงานที่เท่ากันได้ยาก ส่งผลให้เกิดปัญหาเรื่องความสม่ำเสมอของสี ดังนั้น การบรรลุความสม่ำเสมอของสีที่ดีในภาพโดยใช้ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนแบบชั้นเดียวจึงเป็นเรื่องยาก

เพื่อให้แน่ใจว่าแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันออกไปโดยมีสัดส่วนพลังงานเท่ากัน โดยทั่วไปจะใช้ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนแบบหลายชั้น (สองชั้นขึ้นไป) ซ้อนกัน แต่ละชั้นของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อควบคุมและเพิ่มพลังงานสำหรับช่วงความยาวคลื่นเฉพาะ ขณะเดียวกันก็ระงับการพูดคุยข้ามระหว่างชั้นด้วย วิธีการนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าในที่สุดแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะเข้าสู่ดวงตาด้วยสัดส่วนพลังงานที่เท่ากัน ปรับปรุงความสม่ำเสมอของสี และแสดงภาพที่สดใสตามปกติ

03 สรุป

ในด้านหนึ่ง ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนมีฟังก์ชันหลักสองอย่าง: การถ่ายโอนภาพสามมิติและการขยายรูม่านตาสองมิติ ด้วยฟังก์ชันเหล่านี้ ทำให้แว่นตา AR มีน้ำหนักเบาและเพรียวบาง ในขณะเดียวกันก็รองรับผู้ใช้ในวงกว้างขึ้น ให้ความรู้สึกดื่มด่ำและประสบการณ์การรับชมภาพที่ยอดเยี่ยม นอกจากนี้ การบูรณาการกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการผลิตท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ซึ่งวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับแว่นตา AR เพื่อเข้าสู่ตลาดผู้บริโภค

ในทางกลับกัน เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีการแสดงผลกระแสหลักสำหรับแว่นตา AR ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนจึงมีศักยภาพสูง แต่ยังมีความซับซ้อนอย่างมากอีกด้วย การเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนต้องพิจารณาจากหลายแง่มุม รวมถึงลำดับการเลี้ยวเบน มุมตกกระทบ และความยาวคลื่น

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้ดียิ่งขึ้น ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน AR จึงพร้อมที่จะนำแว่นตา AR มาสู่ครัวเรือน โดยจะส่องสว่างในยุคแห่งการเปลี่ยนแปลง