Một cách tiếp cận mới đối với ống dẫn sóng AR: Phân vùng dựa trên phân cực giúp tăng độ đồng đều độ sáng nguyên mẫu lên 70%

Các ống dẫn sóng trong kính AR yêu cầu một biên độ nhất định để chuyển động của mắt—một khái niệm được gọi là 'hộp mắt'. Tuy nhiên, hộp mắt lớn hơn có nghĩa là ánh sáng chiếu được phân bổ trên một khu vực rộng hơn, trong khi đồng tử của người dùng chỉ chụp được một phần nhỏ ánh sáng đó. Chỉ cần tăng công suất của động cơ nhẹ sẽ dẫn đến mức tiêu thụ điện năng cao hơn và tải nhiệt lớn hơn. Có thể duy trì phạm vi hộp mắt chức năng trong khi chỉ chiếu sáng khu vực cụ thể thực sự cần thiết tại bất kỳ thời điểm nào không?

Một bài báo của Nilsen và cộng sự, xuất bản trên tạp chí Advanced Photonics Research vào năm 2026, đề xuất một cách tiếp cận cụ thể: chia vùng tách đồng tử ra thành các vùng phản ứng với các trạng thái phân cực tròn khác nhau và sử dụng phân cực đầu vào để chọn vùng nào đang hoạt động. Thay vì chiếu sáng đồng thời toàn bộ hộp mắt lớn, phương pháp này sử dụng 'hộp mắt nhỏ hơn, có thể chuyển đổi' để bao phủ phạm vi lớn hơn, có thể sử dụng được.

Những tổn thất xảy ra ở đâu trong quá trình mở rộng học sinh bỏ học truyền thống?

Trong hệ thống hiển thị gần mắt (NED), ống dẫn sóng thường nhận được hình ảnh từ động cơ quang thông qua bộ ghép đầu vào. Sau đó, ánh sáng truyền qua ống dẫn sóng thông qua phản xạ nội toàn phần (TIR) ​​trước khi được bộ ghép đầu ra hướng về phía mắt người dùng. Để đảm bảo rằng toàn bộ trường nhìn vẫn hiển thị ngay cả khi mắt thay đổi vị trí, bộ ghép đầu ra phải tái tạo đồng tử thoát trên một khu vực lớn hơn. Thách thức là mỗi khi chùm ánh sáng tương tác với bộ ghép đầu ra, một phần năng lượng của nó có thể bị lấy đi. Do đó, khi ánh sáng truyền đi, vẫn còn ít năng lượng hơn cho các phần tiếp theo của bộ ghép đầu ra, điều này có thể dẫn đến sự chênh lệch độ sáng đáng chú ý trên hộp mắt.

Bài viết này nghiên cứu các cách tử thể tích phân cực (PVG) được sử dụng làm bộ ghép nối ngoài. PVG thể hiện tính chọn lọc dựa trên độ thuận tay của ánh sáng phân cực tròn. Các tác giả chia vùng lẽ ra là một vùng ghép ngoài duy nhất—bao phủ toàn bộ phạm vi của hộp mắt—thành hai đoạn có độ dài bằng nhau: một đoạn phản ứng với ánh sáng phân cực tròn trái (LCP), và phần còn lại phản ứng với ánh sáng phân cực tròn phải (RCP). Bằng cách chuyển đổi phân cực đầu vào, ánh sáng được định hướng dọc theo các đường khớp nối vào và khớp nối ngoài cụ thể, chỉ chiếu sáng một nửa vùng đã chọn.

Điều quan trọng là phải phân biệt giữa hai khái niệm dễ bị nhầm lẫn: tổng phạm vi có thể định địa chỉ và diện tích được chiếu sáng tại bất kỳ thời điểm nào. Trong khi hai đoạn kết hợp lại bao phủ toàn bộ chiều dài ban đầu của hộp mắt, thì mỗi lần chỉ có một đoạn hoạt động. Đối với một sản phẩm thực tế, việc cho phép vùng được chiếu sáng theo dõi đồng tử sẽ cần đến công nghệ theo dõi mắt kết hợp với chuyển mạch phân cực được điều khiển bằng điện tử. Nguyên mẫu được trình bày trong bài báo không tích hợp hệ thống vòng kín như vậy; thay vào đó, nó dựa vào bộ phân cực tuyến tính và tấm một phần tư sóng để chuyển đổi phân cực thủ công.

Làm thế nào để xác nhận một bài nghiên cứu？

Trước tiên, các tác giả so sánh thiết kế bộ ghép nối có chiều dài đầy đủ với thiết kế vùng kép sử dụng OpticStudio. Mô phỏng ban đầu sử dụng chùm tia hình chữ nhật chuẩn trực 550 nm, ống dẫn sóng dài 55 mm x dày 1 mm (chiết suất 1,8) và bộ tách rời có chu kỳ 400 nm; tổng diện tích của bộ ghép nối vùng kép giống hệt với phiên bản có chiều dài đầy đủ. Độ đồng đều của hộp mắt đối với chùm tia trường nhìn trung tâm được cải thiện từ 35,8% lên 69,4%. Trong bài báo này, độ đồng đều được định nghĩa là tỷ lệ giữa cường độ tối thiểu và cường độ tối đa trong khu vực được lấy mẫu, được biểu thị bằng phần trăm; nó không đại diện cho hiệu suất quang học tổng thể của hệ thống.

Sau đó, các tác giả đã chế tạo một nguyên mẫu vùng kép và so sánh nó với bộ ghép nối toàn bộ chiều dài 15 mm. Thiết kế vùng kép bao gồm hai phần dài 7,5 mm, mỗi phần phản ứng với sự phân cực tròn đối diện. Thử nghiệm với tia laze 532 nm ở tần số bình thường cho thấy rằng, đối với các mẫu có hiệu suất nhiễu xạ thấp hơn, độ đồng đều được cải thiện từ 44,0% lên 70,1%, với tổng công suất lần lượt là 9,11 μW và 9,85 μW, được đo trên khẩu độ khoảng 6 mm × 15 mm. Mặc dù những kết quả này ủng hộ khẳng định rằng 'sự phân vùng cải thiện tính đồng nhất', nhưng tổng giá trị công suất của hai loại mẫu chỉ đơn thuần là có thể so sánh được; do đó, sẽ không chính xác khi nói rằng việc tăng gấp đôi độ sáng đã được xác minh bằng thực nghiệm.

Các tác giả cũng điều chỉnh thành phần vật liệu tinh thể lỏng, tăng hiệu suất nhiễu xạ của cách tử ghép từ khoảng 60,5% lên 74%. Đối với các mẫu có chiều dài đầy đủ và vùng kép tương ứng, giá trị đồng nhất lần lượt là 15,9% và 38,8%, trong khi tổng công suất đo được trong hộp mắt là 10,52 μW và 11,01 μW. Việc tăng tỷ lệ ghép đôi khiến phần lớn ánh sáng thoát ra khỏi ống dẫn sóng sớm hơn; do đó, việc tăng tổng công suất có thể trùng hợp với việc giảm tính đồng nhất về không gian. Cách tiếp cận vùng kép giảm thiểu sự đánh đổi này, mặc dù nó không loại bỏ hoàn toàn. Bài báo cũng trình bày việc thiết kế và mô phỏng hệ thống mở rộng ngõ ra-đồng tử bốn vùng, hai chiều; trong một mô hình riêng biệt sử dụng ánh sáng chuẩn trực 532 nm, độ đồng đều được cải thiện từ 19,2% lên 51,2%. Vì cấu hình bốn vùng chưa được xác minh bằng thực nghiệm nên con số này không thể được đặt ở cùng mức độ bằng chứng với kết quả đo được từ nguyên mẫu hai vùng nói trên.

Độ sáng và hộp mắt: Vượt xa một yếu tố phóng đại duy nhất

Tác giả sử dụng mô hình một chiều đơn giản hóa để minh họa tiềm năng: giả sử hiệu suất ghép ngoài 20% cho mỗi tương tác—với 10 tương tác xảy ra trong vùng ghép ngoài toàn bộ chiều dài so với 5 trong vùng nửa chiều dài—độ đồng đều được tính toán là khoảng 41% đối với vùng nửa chiều dài và 13% đối với vùng có chiều dài đầy đủ. Bằng cách tăng thêm hiệu suất ghép nối ngoài của vùng nửa chiều dài, về mặt lý thuyết có thể thu được tổng công suất tương đương với công suất của vùng có chiều dài đầy đủ từ vùng được chiếu sáng nhỏ hơn, dẫn đến cường độ ánh sáng cục bộ cao gần gấp đôi.

Tuy nhiên, mức tăng 'gấp đôi' này thể hiện giới hạn trên bắt nguồn từ một mô hình lý tưởng hóa, thay vì mức tăng độ sáng được đo lường theo kinh nghiệm đối với nguyên mẫu vật lý. Trong thực tế, hiệu suất của PVG (Cách tử khối phân cực) thay đổi theo bước sóng, góc và trạng thái phân cực; hơn nữa, sự trôi dạt phân cực trong quá trình truyền và tổn thất tại các giao diện giữa các lớp cũng có thể làm thay đổi kết quả. Quan trọng hơn, nếu chọn một vùng nhỏ hơn, hệ thống phải tự động chuyển đổi nếu mắt người dùng chuyển về phía ranh giới hoặc sang một khu vực khác; nếu cả hai vùng được chiếu sáng đồng thời thì nguồn điện khả dụng phải được phân phối lại giữa chúng. Do đó, những tuyên bố về hộp mắt 'mở rộng' và độ sáng 'tăng cường'—như được đề xuất trong tiêu đề của bài viết—nên được hiểu là hai khả năng thiết kế riêng biệt do kiến ​​trúc đưa ra, thay vì những lợi ích có thể đạt được đồng thời và vô điều kiện.

Những gì vẫn cần thiết để biến cái này thành một cặp kính?

Đối với các nhà thiết kế hệ thống, giá trị của bài viết này không chỉ nằm ở việc sử dụng một loại cách tử khác mà còn ở việc chuyển đổi cách tiếp cận để mở rộng đồng tử thoát ra: chuyển từ 'chiếu sáng thụ động toàn bộ khu vực' sang 'phân phối ánh sáng dựa trên vị trí của đồng tử.' Điều này cũng đặt ra những thách thức kỹ thuật mới:

1. Theo dõi mắt vòng kín

Cần phải xác minh độ chính xác theo dõi, độ trễ liên quan đến chuyển đổi phân cực và tính liên tục của hình ảnh khi mắt di chuyển qua các vùng khác nhau. Nguyên mẫu được trình bày trong bài báo vẫn chưa xác nhận hệ thống vòng kín này.

2. Ranh giới và xuyên âm

Ranh giới giữa các vùng có thể cắt bớt trường nhìn (FOV), trong khi các đường dẫn ghép ngoài ý muốn có thể dẫn đến hình ảnh 'ma' (ánh sáng lạc) xuất hiện ở các vùng không được chọn. Mặc dù bài báo trình bày những bức ảnh chụp những hình ảnh ma quái này nhưng nó không đưa ra mức dung sai có thể áp dụng trực tiếp vào thiết kế sản xuất hàng loạt.

3. Đầy đủ màu sắc và trường nhìn rộng

Các thí nghiệm chủ yếu dựa trên thiết lập đơn sắc 532 nm. Để đạt được hiệu suất đầy đủ màu sắc đòi hỏi phải giải quyết các đặc tính phân tán và phản ứng góc của cách tử thể tích phân cực (PVG) và bộ làm lệch pha hình học được sử dụng trong thiết kế bốn vùng. Các tác giả cũng lưu ý rằng việc tăng số lượng vùng có thể dẫn đến cắt bớt FOV hoặc nhiễu xuyên âm quang học.

4. Chế tạo và căn chỉnh nhiều lớp

Nguyên mẫu vùng kép bao gồm hai ống dẫn sóng có phản ứng phân cực riêng biệt, được liên kết với nhau bằng một khe hở không khí ở giữa. Khi số lượng vùng tăng lên, mối quan hệ không gian giữa bộ ghép nối, bộ ghép gấp và bộ ghép nối trở nên phức tạp hơn đáng kể; bất kỳ sự sai lệch nào cũng có thể gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa các hình ảnh được tạo ra bởi các vùng khác nhau.

Do đó, một kết luận đáng tin cậy từ công trình này là, trong các điều kiện đơn sắc cụ thể, cấu hình nguyên mẫu và các thông số đo được trình bày trong bài báo, phân vùng chọn lọc phân cực cải thiện đáng kể độ đồng đều độ sáng của nhãn cầu; hơn nữa, sơ đồ bốn vùng, hai chiều mang lại tiềm năng mở rộng lớn hơn nữa. Nếu mục tiêu là một hệ thống AR đầy màu sắc, có thể đeo được thì các yếu tố bổ sung—chẳng hạn như hiệu suất quang học, trường nhìn, độ trễ chuyển động sang photon, nhiễu xuyên âm và dung sai lắp ráp—cũng phải được đánh giá trong khung thông số kỹ thuật cấp hệ thống toàn diện.

Điều này có ý nghĩa gì đối với kính trọng lượng nhẹ hỗ trợ AI?

Giá trị của phương pháp 'khớp nối ngoài theo vùng' này chủ yếu nằm ở việc cung cấp các tùy chọn kỹ thuật mới để phân phối đầu ra quang học trong ống dẫn sóng, thay vì cung cấp giải pháp đầy đủ màu sắc, sẵn sàng sản xuất. Tại SOTECH, khi đánh giá các công nghệ hiển thị gần mắt, chúng tôi cũng đánh giá khả năng mang lại lợi ích hữu hình của chúng trong các tình huống sử dụng thực tế—chẳng hạn như khả năng đọc dưới ánh sáng mạnh ngoài trời, mức tiêu thụ điện năng và sinh nhiệt khi đeo lâu, tính đồng nhất của hộp mắt và sự cân bằng tinh tế giữa trọng lượng tổng thể của thiết bị và sự thoải mái của người đeo.

Đối với kính AI nhẹ như SOTECH G55, trọng tâm hiện tại là sức mạnh tổng hợp giữa quang học ống dẫn sóng hoàn thiện, màn hình Micro-LED và thiết kế cấu trúc tích hợp. Điều này đảm bảo rằng thông tin—chẳng hạn như phụ đề, lời nhắc điều hướng hoặc văn bản của máy nhắc chữ—vẫn rõ ràng và ổn định trong quá trình sử dụng hàng ngày mà không cản trở tầm nhìn tự nhiên của người dùng. Khi các công nghệ như theo dõi mắt, chuyển mạch phân cực và ghép nối theo vùng tiếp tục phát triển, các phương pháp tiếp cận tương tự có thể giúp các thiết bị như vậy đạt được sự cân bằng tinh tế hơn giữa độ sáng, hiệu suất sử dụng điện và chất lượng trải nghiệm hộp mắt.