Công nghệ ống dẫn sóng nhiễu xạ hoạt động như thế nào trong màn hình kính AR

Trong bài viết trước của chúng tôi, 'Ống dẫn sóng nhiễu xạ AR là gì?', chúng tôi đã giải thích các nguyên tắc cơ bản của ống dẫn sóng nhiễu xạ và nêu bật sự khác biệt giữa ống dẫn sóng cách tử giảm nhẹ bề mặt và ống dẫn sóng cách tử ba chiều thể tích. Hôm nay, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về các chức năng cốt lõi và hướng tối ưu hóa của ống dẫn sóng nhiễu xạ, thảo luận lý do tại sao ống dẫn sóng nhiễu xạ dựa trên cách tử giảm bề mặt đang nổi lên như công nghệ hiển thị chủ đạo cho kính AR.

01 Chức năng cốt lõi của ống dẫn sóng nhiễu xạ

1. Chuyển hình ảnh đẳng cự

Từ các bài viết trước của chúng tôi, chúng tôi biết rằng để một ống dẫn sóng nhiễu xạ hướng ánh sáng phát ra từ hệ thống chiếu vi mô (động cơ quang học) vào mắt người, nó phải trải qua các quá trình ghép vào và ghép ra. Cụ thể, ánh sáng phát ra từ động cơ quang học đi vào ống dẫn sóng phẳng thông qua cách tử ghép nối, truyền bên trong nó bằng phản xạ nội toàn phần và cuối cùng được truyền đến mắt bằng cách tử ghép nối.

Khía cạnh quan trọng nhất của quá trình này là sự phản ánh nội tâm toàn diện. Nhưng chính xác thì phản xạ nội toàn phần là gì?

Phản xạ toàn phần xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất cao hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn và góc tới lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn. Khi đáp ứng các điều kiện về phản xạ toàn phần, ánh sáng sẽ liên tục truyền qua ống dẫn sóng phẳng do phản xạ mà không truyền ra ngoài, do đó cho phép thay đổi hướng của ánh sáng. Một hiện tượng tự nhiên nổi tiếng do sự phản ánh nội tại toàn phần là ảo ảnh.

Thông thường, kính AR xuất hình ảnh bằng động cơ quang học. Tuy nhiên, việc đặt động cơ quang học trực tiếp lên ống kính sẽ cản trở tầm nhìn của người dùng và không hấp dẫn về mặt thị giác. Hơn nữa, chỉ dựa vào công cụ quang học sẽ không đạt được hiệu quả mong muốn trong việc hợp nhất hình ảnh ảo và thực.

Tận dụng nguyên lý phản xạ nội toàn phần, các ống dẫn sóng nhiễu xạ có thể thực hiện truyền đẳng cự các hình ảnh được chiếu bởi động cơ quang học, cho phép động cơ quang học được đặt ở phía trên hoặc bên cạnh của kính. Cách tiếp cận này không chỉ tránh cản trở tầm nhìn của người dùng mà còn do tốc độ truyền ánh sáng cao và cấu hình mỏng của ống dẫn sóng nhiễu xạ, giúp kính AR có hình dáng gần giống với kính mắt thông thường đồng thời đạt được hiệu quả mong muốn của việc tích hợp thực-ảo.

Điều quan trọng cần lưu ý là ống dẫn sóng nhiễu xạ chỉ chịu trách nhiệm truyền hình ảnh đến mắt và không ảnh hưởng đến nội dung của hình ảnh, có nghĩa là nó không có khả năng phóng to hoặc giảm kích thước hình ảnh.

2. Mở rộng học sinh hai chiều

Các giải pháp hiển thị quang học tiêu chuẩn thường thiếu khả năng mở rộng đồng tử, hạn chế người xem chỉ nhìn thấy hình ảnh trong phạm vi kích thước đồng tử thoát của động cơ quang học (tức là phạm vi chuyển động của mắt). Ví dụ: nếu đồng tử thoát của động cơ quang học có kích thước φ5mm, người dùng chỉ có thể xem hình ảnh trong phạm vi φ5mm. Điều này giống như việc nhìn thế giới qua lỗ nhìn trộm, điều này làm giảm đáng kể trải nghiệm đắm chìm và thị giác.

Để giải quyết vấn đề này, các ống dẫn sóng nhiễu xạ có thể đạt được sự giãn nở đồng tử hai chiều, mở rộng đồng tử thoát ra trong khi vẫn duy trì kích thước nhỏ gọn và trường nhìn rộng. Điều này làm tăng phạm vi chuyển động của mắt theo cả hai hướng một cách hiệu quả, mang lại cảm giác đắm chìm cao hơn và trải nghiệm hình ảnh được cải thiện, đồng thời đáp ứng các khoảng cách giữa các đồng tử khác nhau. Điều này thể hiện chức năng cốt lõi thứ hai của ống dẫn sóng nhiễu xạ.

Nhìn chung có hai cách tiếp cận để thực hiện mở rộng đồng tử hai chiều. Cách đầu tiên liên quan đến việc sử dụng ba cách tử một chiều (tức là cách tử ghép, cách tử uốn và cách tử ghép). Cách tiếp cận thứ hai sử dụng một cách tử một chiều (cách tử ghép) và một cách tử hai chiều (cách tử ghép).

Trong phương pháp đầu tiên, ánh sáng phát ra từ động cơ quang học được ghép vào ống dẫn sóng thông qua cách tử ghép nối. Sau đó, ánh sáng trải qua sự phản xạ nội toàn phần và đập vào cách tử uốn cong, trong đó một phần ánh sáng được chuyển hướng đến cách tử ghép nối, trong khi ánh sáng còn lại tiếp tục truyền về phía trước thông qua sự phản xạ. Ánh sáng này sẽ lại chạm vào lưới uốn và một phần khác sẽ được chuyển hướng đến cách tử ghép nối. Quá trình này được lặp lại để đạt được sự mở rộng đồng tử một chiều.

Cuối cùng, ánh sáng chiếu tới cách tử ghép nối sẽ bị nhiễu xạ một phần vào mắt, trong khi ánh sáng còn lại tiếp tục truyền về phía trước thông qua sự phản xạ, một lần nữa tương tác với cách tử ghép nối. Quá trình này dẫn đến một hướng mở rộng đồng tử một chiều khác. Khi hai phần mở rộng một chiều này được kết hợp, chúng tạo ra sự mở rộng đồng tử hai chiều.

Trong cách tiếp cận thứ hai, quá trình này cũng bắt đầu bằng cách ghép ánh sáng phát ra từ động cơ quang vào ống dẫn sóng bằng cách sử dụng cách tử ghép. Sau đó, ánh sáng trải qua sự phản xạ toàn phần và đập vào cách tử ghép hai chiều. Tại thời điểm này, một phần ánh sáng bị nhiễu xạ vào mắt, trong khi phần ánh sáng còn lại bị phân chia và tiếp tục truyền về phía trước thông qua sự phản xạ theo cả hướng ngang và hướng dọc.

Sau đó, ánh sáng sẽ lại tương tác với cách tử ghép nối, nơi một phần khác bị nhiễu xạ vào mắt. Quá trình này được lặp đi lặp lại, đạt được hiệu quả mở rộng đồng tử hai chiều.

Phần trên mô tả các quá trình vật lý của sơ đồ mở rộng đồng tử hai chiều. Để so sánh, sơ đồ đầu tiên tương đối đơn giản hơn về mặt thiết kế và chế tạo ống dẫn sóng nhiễu xạ, nhưng nó chiếm nhiều diện tích thấu kính tổng thể hơn. Mặt khác, sơ đồ thứ hai yêu cầu sử dụng các cách tử hai chiều, phức tạp hơn trong thiết kế và chế tạo, khiến việc thực hiện trở nên khó khăn hơn. Tuy nhiên, cách tiếp cận này mang lại cấu trúc tổng thể nhỏ gọn hơn, cho phép giảm diện tích thấu kính.

Bằng cách sử dụng tính năng mở rộng đồng tử hai chiều, chúng tôi không chỉ có thể tăng phạm vi chuyển động của mắt và nâng cao khả năng hòa nhập của người dùng mà còn giảm trọng lượng và kích thước của động cơ quang học theo cả hướng ngang và dọc, giúp kính AR nhẹ hơn và dễ thích ứng hơn.

Điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù việc mở rộng đồng tử hai chiều tái tạo hình ảnh nhiều lần, nhưng thực tế chúng ta chỉ cảm nhận được một hình ảnh chứ không phải nhiều hình ảnh. Điều này là do hình ảnh được truyền qua cách tử ghép nối không phải là hình ảnh thật mà là hình ảnh ảo. Ngoài ra, bộ não con người có xu hướng tự đánh lừa mình bằng cách đi theo tầm nhìn mở rộng của chùm ánh sáng mà nó nhìn thấy. Các chùm ánh sáng được tạo ra bởi sự giãn nở của đồng tử tương ứng với các góc khác nhau của cùng một hình ảnh ảo, do đó, bất kể mắt nhận thấy có bao nhiêu vị trí khác nhau của chùm ánh sáng mở rộng, chúng sẽ theo dõi trở lại cùng một hình ảnh dựa trên đường ngắm mở rộng.

Ví dụ, nó tương tự như việc quan sát một ngọn nến qua gương phẳng. Ánh sáng từ ngọn nến phản chiếu khỏi gương và đi vào mắt, sau đó mắt sẽ tìm kiếm ảnh ảo dựa trên đường kéo dài của tia sáng. Ba tia sáng mô tả trong sơ đồ có thể được hiểu là các chùm ánh sáng mở rộng ở ba vị trí khác nhau trong ống dẫn sóng nhiễu xạ. Như thể hiện trong sơ đồ, khi chúng ta nhìn thấy ba chùm ánh sáng này cùng một lúc, chúng đều hướng đến cùng một hình ảnh.

Ngoài ra, có một quan niệm sai lầm phổ biến rằng các ống dẫn sóng nhiễu xạ có hiệu suất năng lượng thấp. Trong thực tế, nhận thức này nảy sinh trong quá trình đạt được sự mở rộng đồng tử hai chiều, trong đó ống dẫn sóng nhiễu xạ cần chia năng lượng ánh sáng thành nhiều phần và phân bổ đều trên từng vị trí đồng tử thoát ra. Kết quả là năng lượng trên một đơn vị diện tích giảm đi một cách tự nhiên. Tuy nhiên, nếu chúng ta thu tất cả các tia sáng từ ống dẫn sóng nhiễu xạ vào mắt, chúng ta sẽ thấy rằng hiệu suất năng lượng của nó thực ra không hề thấp.

Vì vậy, lý do chính khiến hiệu suất năng lượng thấp của ống dẫn sóng nhiễu xạ là do sự giãn nở của đồng tử. Tuy nhiên, sự giãn nở là một tính năng quan trọng của ống dẫn sóng nhiễu xạ và như đã đề cập trước đó, nó mang lại nhiều lợi thế. Vì vậy, điều cần thiết là phải tối đa hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong khi vẫn duy trì mức độ mở rộng đồng tử nhất định.

02 Ba hướng tối ưu hóa chính cho ống dẫn sóng nhiễu xạ

1. Tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ ánh sáng

Như đã đề cập trước đó, nhiều người nhận thấy rằng ống dẫn sóng nhiễu xạ có hiệu suất năng lượng thấp. Để giải quyết vấn đề này, cần phải cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng bằng cách tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ của ánh sáng trong khi vẫn duy trì mức độ giãn nở đồng tử nhất định.

Vì kích thước đặc trưng của các cách tử cỡ nano có thể so sánh với bước sóng ánh sáng, nên điều cần thiết là phải coi ánh sáng không phải là các tia thông thường mà là sóng điện từ trong quá trình truyền lan. Khi ánh sáng chiếu vào cách tử, nó bị chia thành nhiều hướng khác nhau (bậc nhiễu xạ) và chắc chắn một phần năng lượng ánh sáng bị mất đi trong quá trình này.

Để đảm bảo rằng phần lớn năng lượng ánh sáng được ghép vào ống dẫn sóng nhiễu xạ, chúng tôi thường chọn một thứ tự nhiễu xạ khác 0 cụ thể (đáp ứng các điều kiện phản xạ nội toàn phần) làm thứ tự làm việc của ống dẫn sóng nhiễu xạ. Bằng cách kiểm soát chính xác các thông số như chu kỳ cách tử, chu kỳ hoạt động, độ sâu rãnh và góc thành bên, chúng ta có thể tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ của ánh sáng, tập trung phần lớn năng lượng ánh sáng vào trật tự làm việc này. Điều này, đến lượt nó, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và cho phép tăng độ sáng hình ảnh.

2. Tối ưu hóa hiệu quả nhiễu xạ cho các góc tới khác nhau

Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét khi tối ưu hóa cách tử là tác động của góc tới của ánh sáng đến hiệu suất nhiễu xạ.

Vì hình ảnh được chiếu bởi động cơ quang học tạo thành một bề mặt ánh sáng nên ánh sáng từ các vị trí khác nhau trên bề mặt này đi vào ống dẫn sóng nhiễu xạ ở các góc khác nhau. Đối với các ống dẫn sóng nhiễu xạ, các góc tới khác nhau dẫn đến hiệu suất nhiễu xạ khác nhau, dẫn đến sự không nhất quán về độ sáng tổng thể của hình ảnh.

Do đó, ngoài việc tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ cho một bậc nhiễu xạ cụ thể, cũng cần tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ đối với ánh sáng ở các góc tới khác nhau để đảm bảo độ sáng đồng đều.

3. Tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ cho các bước sóng khác nhau

Các màu sắc khác nhau của ánh sáng có bước sóng khác nhau, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất nhiễu xạ của chúng. Ngoài ra, các bước sóng khác nhau dẫn đến các góc nhiễu xạ khác nhau, nghĩa là trong quá trình giãn nở đồng tử, tần số tương tác của các màu ánh sáng khác nhau với cách tử ghép nối cũng sẽ khác nhau. Hai yếu tố này gây khó khăn cho mỗi màu ánh sáng đi vào mắt với tỷ lệ năng lượng bằng nhau, dẫn đến các vấn đề về tính đồng nhất của màu sắc. Do đó, việc đạt được độ đồng đều màu tốt trong ảnh khi sử dụng ống dẫn sóng nhiễu xạ một lớp là rất khó.

Để đảm bảo rằng ánh sáng có bước sóng khác nhau thoát ra với tỷ lệ năng lượng bằng nhau, người ta thường sử dụng nhiều lớp (hai lớp hoặc nhiều hơn) các ống dẫn sóng nhiễu xạ. Mỗi lớp của ống dẫn sóng nhiễu xạ được tối ưu hóa để kiểm soát và tăng cường năng lượng cho một phạm vi bước sóng cụ thể đồng thời ngăn chặn nhiễu xuyên âm giữa các lớp. Cách tiếp cận này đảm bảo rằng ánh sáng có bước sóng khác nhau cuối cùng đi vào mắt với tỷ lệ năng lượng bằng nhau, cải thiện tính đồng nhất của màu sắc và hiển thị hình ảnh sống động, bình thường.

03 Tóm tắt

Một mặt, ống dẫn sóng nhiễu xạ có hai chức năng cốt lõi: truyền đẳng cự hình ảnh và mở rộng đồng tử hai chiều. Dựa trên các chức năng này, chúng giúp kính AR nhẹ và mỏng đồng thời phù hợp với nhiều đối tượng người dùng hơn, mang lại cảm giác đắm chìm mạnh mẽ và trải nghiệm hình ảnh tuyệt vời. Ngoài ra, việc tích hợp các quy trình bán dẫn giúp nâng cao khả năng sản xuất ống dẫn sóng nhiễu xạ, tạo nền tảng vững chắc cho kính AR thâm nhập thị trường tiêu dùng.

Mặt khác, là công nghệ hiển thị chính cho kính AR, ống dẫn sóng nhiễu xạ mang lại tiềm năng lớn nhưng cũng có độ phức tạp đáng kể. Việc tối ưu hóa hiệu suất nhiễu xạ phải được xem xét từ nhiều khía cạnh, bao gồm thứ tự nhiễu xạ, góc tới và bước sóng.

Với những tiến bộ liên tục trong công nghệ và tối ưu hóa hiệu suất hơn nữa, ống dẫn sóng nhiễu xạ AR sẵn sàng đưa kính AR đến các hộ gia đình, tỏa sáng rực rỡ trong kỷ nguyên siêu vũ trụ.