ท่อนำคลื่นแบบกระจายแสง AR คืออะไร

ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนเป็นโซลูชันการแสดงผลด้วยแสงกระแสหลักสำหรับแว่นตา AR อุปกรณ์ AR จำนวนมากใช้เทคโนโลยีนี้ เหตุใดผู้ผลิตฮาร์ดแวร์ AR รายใหญ่จึงชื่นชอบท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนคืออะไรกันแน่?

01 คำจำกัดความของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

เพื่อทำความเข้าใจให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น เราสามารถแบ่งคำว่า 'ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน' ออกเป็นสองส่วน: การเลี้ยวเบนและท่อนำคลื่น

โดยทั่วไป เรารู้ว่าแสงสามารถแพร่กระจายได้สามวิธี: การแพร่กระจายของเส้นตรง การสะท้อน และการหักเหของแสง ตัวอย่างเช่น กล้องอินฟราเรด กล้องปริทรรศน์ และลักษณะที่หลอดดูโค้งงอเมื่อวางในน้ำ ทั้งหมดนี้ล้วนมีพื้นฐานมาจากหลักการทั้งสามข้อนี้ ในทางกลับกัน การเลี้ยวเบนเป็นวิธีที่สี่ที่แสงสามารถแพร่กระจายได้

ในศตวรรษที่ 17 ศาสตราจารย์คณิตศาสตร์ชาวอิตาลี ฟรานเชสโก กริมัลดี ค้นพบและบัญญัติศัพท์คำว่า 'การเลี้ยวเบน' ซึ่งมาจากคำภาษาละติน 'diffringe' แปลว่า 'แตกออกเป็นชิ้นๆ' ซึ่งหมายถึงทิศทางเดิมของการแพร่กระจายของคลื่นที่ 'หัก' และโค้งงอไปในทิศทางที่ต่างกัน

ในการทดลองของเขา เขาส่งลำแสงผ่านช่องเปิดเล็กๆ สองช่องและไปยังหน้าจอในห้องมืด โดยสังเกตรูปแบบของแสงและแถบสีเข้มที่ขอบของการฉายภาพ ดังนั้น การเลี้ยวเบนหมายถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเผชิญกับสิ่งกีดขวางหรือกรีด

เนื่องจากความจริงที่ว่าผลกระทบจากการเลี้ยวเบนที่เห็นได้ชัดเจนสามารถสังเกตได้เฉพาะเมื่อขนาดของสิ่งกีดขวางหรือความกว้างของรอยแยกเทียบเคียงหรือเล็กกว่าความยาวคลื่นของคลื่น จึงมักจะมองเห็นการเลี้ยวเบนของแสงได้ยากในชีวิตประจำวันของเรา อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขพิเศษบางประการ เราสามารถสังเกตได้ ตัวอย่างเช่น ปรากฏการณ์ 'สง่าราศี' ที่เห็นบนท้องฟ้า ซึ่งปรากฏเป็นรัศมีหลากสีรอบๆ เงา เป็นผลมาจากแสงแดดที่หักเหผ่านหยดน้ำเล็กๆ และผลึกน้ำแข็งในก้อนเมฆ

เมื่อกล่าวถึงการเลี้ยวเบนแล้ว ท่อนำคลื่นคืออะไรกันแน่?

ในโลกของเรามีคลื่นหลายประเภท ทั้งคลื่นแสง คลื่นเสียง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ท่อนำคลื่นเป็นอุปกรณ์ที่ส่งคลื่นเหล่านี้จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ดังนั้นท่อนำคลื่นแสงจึงเป็นตัวกลางหรืออุปกรณ์ที่นำทางคลื่นแสงในขณะที่พวกมันแพร่กระจาย

ด้วยความเข้าใจทั้งการเลี้ยวเบนและท่อนำคลื่น เราสามารถนิยามท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนได้ กล่าวง่ายๆ ก็คือ มันเป็นสื่อที่ใช้การเลี้ยวเบนของแสงเพื่อนำทางคลื่นแสงในขณะที่มันเดินทาง

ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

เพื่ออธิบายเพิ่มเติม ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนได้รับการออกแบบเพื่อใช้คุณสมบัติการเลี้ยวเบนของตะแกรงเพื่อสร้าง 'ทางเดินของแสง' ช่วยให้แสงกระจายไปตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และนำทางแสงที่ปล่อยออกมาจากระบบฉายภาพระดับไมโครเข้าสู่ดวงตาของมนุษย์

ตะแกรงเลี้ยวเบนซึ่งเป็นองค์ประกอบทางแสงที่มีโครงสร้างเป็นคาบ เป็นองค์ประกอบหลักของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ขึ้นอยู่กับประเภทของตะแกรงที่ใช้ ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท: ท่อนำคลื่นตะแกรงแบบบรรเทาพื้นผิว และท่อนำคลื่นแบบตะแกรงโฮโลแกรมแบบปริมาตร

02 ท่อนำคลื่นตะแกรงบรรเทาพื้นผิว

ตะแกรงนูนพื้นผิวถูกสร้างขึ้นโดย 'การแกะสลัก' ยอดเขาสูงและหุบเขาต่ำบนพื้นผิวของวัสดุผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การพิมพ์หินด้วยแสงและการแกะสลัก เทคนิคการผลิตนี้ทำให้ได้โครงสร้างตามระยะเวลาที่ตรงตามประสิทธิภาพการมองเห็นที่ต้องการ

ตะแกรงเหล่านี้ควบคุมแสงที่มีปฏิสัมพันธ์กับพวกมัน ทำให้สามารถเลี้ยวเบนและนำทางแสงภายในท่อนำคลื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตะแกรงบรรเทาพื้นผิวถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากความเรียบง่ายในการผลิตและความสามารถในการรวมเข้ากับระบบออปติคอลต่างๆ

SEM รูปภาพของตะแกรงบรรเทาพื้นผิว

Surface Relief Grating Waveguide เพื่อนำทางแสงที่ปล่อยออกมาจากระบบไมโครโปรเจ็กเตอร์ (ออปติคอลเอ็นจิ้น) เข้าสู่ดวงตามนุษย์ แสงจะต้องผ่านกระบวนการเชื่อมต่อเข้าและออก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสงที่ปล่อยออกมาจากกลไกออปติคัลจะเข้าสู่ท่อนำคลื่นผ่านตะแกรงอินพุต แพร่กระจายผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมดภายในท่อนำคลื่นแบบแบน และสุดท้ายก็ถูกส่งไปยังดวงตามนุษย์โดยตะแกรงเอาท์พุต ตะแกรงอินพุตและเอาต์พุตที่ใช้ในที่นี้คือตะแกรงบรรเทาพื้นผิว

เนื่องจากคุณสมบัติระดับนาโนของตะแกรงเทียบได้กับความยาวคลื่นของแสง แสงจึงไม่ควรถือเป็นรังสีธรรมดา แต่ควรถือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อแสงตกกระทบตะแกรง แสงจะเกิดการเลี้ยวเบนหลายลำดับ

ตัวอย่างเช่น ถ้าเครื่องยนต์ออปติคัลปล่อยแสงสีเดียว (เช่น แสงสีเขียว) แสงนี้จะถูกแบ่งออกเป็นหลายลำแสงที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต่างกัน (คำสั่งการเลี้ยวเบน) เมื่อกระทบกับตะแกรงอินพุต หนึ่งในลำดับการเลี้ยวเบนที่ไม่ใช่ศูนย์เหล่านี้ (เช่น ลำดับ +1) จะเป็นไปตามเงื่อนไขการสะท้อนภายในรวมของท่อนำคลื่นแบบเรียบ ซึ่งช่วยให้สามารถเข้าและแพร่กระจายผ่านท่อนำคลื่นผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด ลำดับการเลี้ยวเบนเฉพาะนี้เรียกว่าลำดับการทำงานของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ด้วยการควบคุมพารามิเตอร์อย่างแม่นยำ เช่น ระยะเวลา รอบการทำงาน ความลึกของร่อง และมุมผนังของตะแกรง พลังงานแสงส่วนใหญ่สามารถรวมตัวไปอยู่ในลำดับการทำงานของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ซึ่งเชื่อมโยงพลังงานแสงส่วนใหญ่เข้ากับท่อนำคลื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการเชื่อมต่อเข้าของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

ในทำนองเดียวกัน เมื่อแสงที่แพร่กระจายผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมดภายในท่อนำคลื่นเลี้ยวเบนไปพบกับตะแกรงเอาท์พุต มันจะสร้างลำดับการเลี้ยวเบนหลายลำดับเช่นกัน หนึ่งในลำดับที่ไม่เป็นศูนย์เหล่านี้จะออกจากท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนในทิศทางเฉพาะ จากนั้นจึงเข้าสู่ดวงตามนุษย์ สิ่งนี้เรียกว่ากระบวนการเชื่อมต่อออกของท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน

หากออปติคัลเอ็นจิ้นปล่อยแสงสี นอกเหนือจากกระบวนการที่กล่าวมาข้างต้น จะมีความซับซ้อนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องด้วย เนื่องจากความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของแสงสีต่างๆ ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนของแสงก็จะแตกต่างกันเช่นกัน ด้วยเหตุนี้ ในระหว่างการแพร่กระจาย พลังงานของแสงแต่ละสีจึงอาจสูญเสียไปในองศาที่แตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดการกระจายตัว ด้วยการปรับพารามิเตอร์ตะแกรงต่างๆ ให้เหมาะสม ตะแกรงสามารถควบคุมพลังงานของความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดปัญหาการกระจายตัวและทำให้เราเห็นภาพที่มีสีที่แม่นยำในที่สุด

เพื่อแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนของการเลี้ยวเบนของตะแกรง บริษัทได้พัฒนาชุดซอฟต์แวร์การคำนวณที่ครอบคลุมสำหรับตะแกรงประเภทต่างๆ โดยใช้วิธีฟูริเยร์โมดัล (FMM) ซึ่งสามารถคำนวณปัญหาการเลี้ยวเบนที่เกี่ยวข้องกับตะแกรงได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ

นอกจากนี้ บริษัทยังมีศูนย์ประมวลผลหลักตะแกรงที่มีอุปกรณ์ครบครัน และระบบการผลิตจำนวนมากสำหรับท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน ซึ่งบรรลุการประสานงานอย่างใกล้ชิดระหว่างการออกแบบและการผลิต เมื่อออกแบบตะแกรง สามารถพิจารณาถึงความสามารถในการประมวลผลของต้นแบบและเทคนิคการผลิต เพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนและเพิ่มประสิทธิภาพได้ทันท่วงทีเมื่อเกิดปัญหา ส่งผลให้เกิดวงจรวนซ้ำผลิตภัณฑ์อย่างรวดเร็ว

ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนซึ่งได้รับความนิยมอย่างสูงจากผู้ผลิตฮาร์ดแวร์ AR รายใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหมายถึงท่อนำคลื่นแบบเกรตติ้งพื้นผิว ข้อดีของผลิตภัณฑ์ ได้แก่ การออกแบบที่บางเฉียบ มุมมองที่กว้าง ช่วงการเคลื่อนไหวของดวงตาที่กว้าง และต้นทุนการผลิตจำนวนมากที่ต่ำ ทำให้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นเส้นทางเทคโนโลยีการแสดงผลกระแสหลักในอุตสาหกรรม AR

03 ท่อนำคลื่นตะแกรงโฮโลแกรมปริมาตร

กระบวนการแพร่กระจายของแสงในท่อนำคลื่นเกรตติ้งโฮโลแกรมเชิงปริมาตรนั้นมีพื้นฐานคล้ายคลึงกับกระบวนการแพร่กระจายของแสงในท่อนำคลื่นเกรตติ้งแบบนูนที่พื้นผิว

ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่วิธีการสร้างตะแกรงโฮโลแกรมปริมาตร แทนที่จะ 'แกะสลัก' ตะแกรงโฮโลแกรมเชิงปริมาตรนั้นถูกสร้างขึ้นโดยการเปิดเผยฟิล์มไวแสงบนพื้นผิวให้พบกับรูปแบบการรบกวนที่สร้างขึ้นโดยลำแสงสองลำที่เชื่อมโยงกัน กระบวนการนี้สร้างการกระจายเชิงพื้นที่เป็นระยะโดยมีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันในระดับโมเลกุล โดยทั่วไปตะแกรงโฮโลแกรมเชิงปริมาตรจะทำงานภายใต้เงื่อนไขการเลี้ยวเบนของแบรกก์

เงื่อนไขการเลี้ยวเบนของ Bragg คืออะไร

ในปี 1912 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Max von Laue ค้นพบปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ในผลึก ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับการศึกษาฟิสิกส์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ ในปีเดียวกันนั้นเอง Lawrence Bragg จากการศึกษาซ้ำที่ห้องปฏิบัติการคาเวนดิช ได้ข้อสรุปว่าปรากฏการณ์นี้เป็นเอฟเฟกต์การเลี้ยวเบนของคลื่นประเภทหนึ่ง

ในปี 1913 Lawrence Bragg และ Henry Bragg พ่อของเขาได้ร่วมกันเสนอรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ในรูปแบบ Bragg (รู้จักกันในชื่อการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ Bragg) พวกเขาพบว่าเมื่อคลื่นอนุภาคต่ำกว่าอะตอมเข้าไปในผลึก ถ้าความยาวคลื่นของคลื่นอนุภาคอยู่ใกล้กับระยะห่างระหว่างอะตอมในคริสตัล คลื่นอนุภาคจะกระจัดกระจายไปตามอะตอมในลักษณะคล้ายกระจก การกระเจิงนี้จะส่งผลให้เกิดการรบกวนเชิงสร้างสรรค์ตามกฎของแบรกก์ ซึ่งก่อให้เกิดจุดสูงสุดของคลื่นที่มีความเข้มข้น (เรียกว่า ยอดเขาแบรกก์) เงื่อนไขของแบรกก์เป็นเกณฑ์ที่ต้องปฏิบัติตามเพื่อให้เกิดการรบกวนเชิงสร้างสรรค์เกิดขึ้น

แผนผังของการเลี้ยวเบนของแบรกก์

ตามหลักการของการเลี้ยวเบนของ Bragg เมื่อคลื่นแสงตรงตามเงื่อนไขของ Bragg ตะแกรงโฮโลแกรมเชิงปริมาตรสามารถบรรลุประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม เงื่อนไขของแบรกก์กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับมุมและความยาวคลื่นของแสงที่ตกกระทบ หากไม่ตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ ประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนอาจลดลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ท่อนำคลื่นตะแกรงโฮโลแกรมปริมาตรต้องดิ้นรนเพื่อให้ได้สีที่สม่ำเสมอที่ดี ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้

ปัจจุบัน ท่อนำคลื่นตะแกรงโฮโลแกรมแบบปริมาตรมีช่องว่างที่สำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับท่อนำคลื่นตะแกรงแบบบรรเทาพื้นผิว ในแง่ของประสิทธิภาพการแสดงผล การค้าผลิตภัณฑ์ และการสนับสนุนทางอุตสาหกรรม

04 สรุป

ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน AR ใช้คุณลักษณะการเลี้ยวเบนของตะแกรงเพื่อออกแบบ 'เส้นทางแสง' ช่วยให้แสงที่ปล่อยออกมาจากระบบไมโครโปรเจ็กเตอร์มุ่งตรงไปยังดวงตามนุษย์ ขึ้นอยู่กับประเภทของตะแกรงเลี้ยวเบนที่ใช้ ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบนสามารถจำแนกได้เป็นท่อนำคลื่นตะแกรงบรรเทาพื้นผิวและท่อนำคลื่นตะแกรงโฮโลแกรมปริมาตร

ท่อนำคลื่นแบบเกรตติ้งพื้นผิวมีข้อดี เช่น น้ำหนักเบา มีขอบเขตการมองเห็นกว้าง มีระยะการเคลื่อนไหวของดวงตาที่กว้าง และต้นทุนการผลิตจำนวนมากต่ำ ด้วยเหตุนี้ จึงได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นเทคโนโลยีการแสดงผลกระแสหลักในอุตสาหกรรม AR ในขณะที่ท่อนำคลื่นตะแกรงโฮโลแกรมแบบปริมาตรแสดงประสิทธิภาพการเลี้ยวเบนที่สูงมาก พวกเขาประสบปัญหากับความสม่ำเสมอของสีเนื่องจากเงื่อนไขการเลี้ยวเบนของ Bragg ที่เข้มงวด และยังอยู่ในขั้นเริ่มต้นของการพัฒนาเทคโนโลยี ซึ่งจำเป็นต้องมีความก้าวหน้าที่สำคัญเพื่อให้บรรลุถึงความก้าวหน้า

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและการปรับปรุงในการประมวลผล ท่อนำคลื่นแบบเลี้ยวเบน AR ที่ใช้ตะแกรงบรรเทาพื้นผิวกำลังเริ่มเข้าสู่ตลาดผู้บริโภค เชื่อกันว่าในอนาคต พวกเขาจะมอบประสบการณ์การแสดงผล AR ที่ยอดเยี่ยมให้กับผู้ผลิตฮาร์ดแวร์ AR มากขึ้น