Ống dẫn sóng nhiễu xạ AR là gì?

Ống dẫn sóng nhiễu xạ là giải pháp hiển thị quang học chủ đạo dành cho kính AR. Nhiều thiết bị AR áp dụng công nghệ này. Tại sao các nhà sản xuất phần cứng AR lớn lại thích ống dẫn sóng nhiễu xạ? Chính xác thì ống dẫn sóng nhiễu xạ là gì?

01 Định nghĩa ống dẫn sóng nhiễu xạ

Để hiểu sâu hơn, chúng ta có thể chia thuật ngữ 'ống dẫn sóng nhiễu xạ' thành hai phần: nhiễu xạ và ống dẫn sóng.

Thông thường, chúng ta biết rằng ánh sáng có thể truyền theo ba cách: truyền theo đường thẳng, phản xạ và khúc xạ. Ví dụ: kính ngắm hồng ngoại, kính tiềm vọng và hình dạng ống hút bị uốn cong khi đặt trong nước đều dựa trên ba nguyên tắc này. Mặt khác, nhiễu xạ là cách thứ tư mà ánh sáng có thể truyền đi.

Vào thế kỷ 17, giáo sư toán học người Ý Francesco Grimaldi đã phát hiện và đặt ra thuật ngữ 'nhiễu xạ', xuất phát từ tiếng Latin 'diffringere', có nghĩa là 'vỡ thành từng mảnh'. Điều này ám chỉ hướng truyền sóng ban đầu bị 'phá vỡ' và uốn cong theo các hướng khác nhau.

Trong các thí nghiệm của mình, ông truyền một chùm ánh sáng qua hai lỗ nhỏ và lên một màn hình trong phòng tối, quan sát một mẫu sọc sáng và sọc tối ở rìa của hình chiếu. Do đó, nhiễu xạ đề cập đến hiện tượng vật lý trong đó hướng truyền sóng thay đổi khi gặp vật cản hoặc khe hở.

Do hiệu ứng nhiễu xạ đáng chú ý chỉ có thể được quan sát thấy khi kích thước của vật cản hoặc chiều rộng của khe tương đương hoặc nhỏ hơn bước sóng của sóng nên thường khó nhìn thấy nhiễu xạ ánh sáng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Tuy nhiên, trong những điều kiện đặc biệt nhất định, chúng ta có thể quan sát được nó. Ví dụ, hiện tượng 'vinh quang' nhìn thấy trên bầu trời xuất hiện dưới dạng quầng sáng đầy màu sắc xung quanh bóng tối, là kết quả của ánh sáng mặt trời khúc xạ qua những giọt nước nhỏ và tinh thể băng trong các đám mây.

Sau khi đã thảo luận về nhiễu xạ, ống dẫn sóng chính xác là gì?

Trong thế giới của chúng ta, tồn tại nhiều loại sóng khác nhau, bao gồm sóng ánh sáng, sóng âm thanh và sóng điện từ.

Ống dẫn sóng là một thiết bị truyền các sóng này từ vị trí này sang vị trí khác. Do đó, ống dẫn sóng ánh sáng là một phương tiện hoặc thiết bị dẫn sóng ánh sáng khi chúng truyền đi.

Với sự hiểu biết về cả nhiễu xạ và ống dẫn sóng, chúng ta có thể định nghĩa ống dẫn sóng nhiễu xạ: nói một cách đơn giản, nó là một môi trường sử dụng sự nhiễu xạ ánh sáng để dẫn sóng ánh sáng khi chúng truyền đi.

Ống dẫn sóng nhiễu xạ

Để giải thích thêm, một ống dẫn sóng nhiễu xạ được thiết kế để sử dụng các đặc tính nhiễu xạ của cách tử nhằm tạo ra một 'đường ánh sáng', cho phép ánh sáng truyền dọc theo một lộ trình xác định trước và dẫn ánh sáng phát ra từ hệ thống chiếu vi mô vào mắt người.

Cách tử nhiễu xạ, một phần tử quang học có cấu trúc tuần hoàn, là thành phần cốt lõi của ống dẫn sóng nhiễu xạ. Dựa trên loại cách tử được sử dụng, ống dẫn sóng nhiễu xạ có thể được phân thành hai loại: ống dẫn sóng cách tử giảm bề mặt và ống dẫn sóng cách tử ba chiều thể tích.

02 Ống dẫn sóng cách tử bề mặt

Các cách tử bề mặt được tạo ra bằng cách 'điêu khắc' các đỉnh cao và các thung lũng thấp trên bề mặt vật liệu thông qua các quá trình như quang khắc và khắc. Kỹ thuật chế tạo này đạt được cấu trúc tuần hoàn đáp ứng hiệu suất quang học cần thiết.

Những cách tử này điều khiển ánh sáng tương tác với chúng, cho phép nhiễu xạ và dẫn ánh sáng hiệu quả trong ống dẫn sóng. Cách tử giảm bề mặt được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản trong chế tạo và khả năng tích hợp vào các hệ thống quang học khác nhau.

Hình ảnh SEM của cách tử bề mặt

Surface Relief Grated Waveguide dùng để dẫn ánh sáng phát ra từ hệ thống vi chiếu (động cơ quang học) vào mắt người, ánh sáng 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 thông qua cách tử đầu vào, truyền qua phản xạ nội toàn phần trong ống dẫn sóng phẳng và cuối cùng được truyền đến mắt người qua cách tử đầu ra. Cách tử đầu vào và đầu ra được sử dụng ở đây là cách tử giảm bề mặt.

Do các đặc tính kích thước nano của cách tử có thể so sánh với bước sóng ánh sáng, nên ánh sáng không nên được coi là các tia thông thường mà nên coi là sóng điện từ. Khi ánh sáng chiếu vào cách tử, nó sẽ bị nhiễu xạ đa bậc.

Ví dụ: nếu động cơ quang phát ra ánh sáng đơn sắc (chẳng hạn như ánh sáng xanh), ánh sáng này sẽ bị chia thành nhiều chùm truyền theo các hướng khác nhau (thứ tự nhiễu xạ) khi chạm vào cách tử đầu vào. Một trong những bậc nhiễu xạ khác 0 này (ví dụ: bậc +1) sẽ thỏa mãn điều kiện phản xạ nội toàn phần của ống dẫn sóng phẳng, cho phép nó đi vào và truyền qua ống dẫn sóng thông qua phản xạ nội toàn phần. Thứ tự nhiễu xạ cụ thể này được gọi là thứ tự làm việc của ống dẫn sóng nhiễu xạ. Bằng cách kiểm soát chính xác các thông số như chu kỳ, chu kỳ hoạt động, độ sâu rãnh và góc bên của cách tử, phần lớn năng lượng ánh sáng có thể được tập trung vào thứ tự làm việc của ống dẫn sóng nhiễu xạ, ghép hiệu quả hầu hết năng lượng ánh sáng vào ống dẫn sóng. Quá trình này được gọi là quá trình ghép nối của ống dẫn sóng nhiễu xạ.

Tương ứng, khi ánh sáng truyền qua phản xạ toàn phần bên trong ống dẫn sóng nhiễu xạ gặp cách tử đầu ra, nó cũng sẽ tạo ra một số bậc nhiễu xạ. Một trong những lệnh khác 0 này sẽ thoát ra khỏi ống dẫn sóng nhiễu xạ theo một hướng cụ thể, sau đó đi vào mắt người. Đây được gọi là quá trình ghép nối của ống dẫn sóng nhiễu xạ.

Nếu động cơ quang học phát ra ánh sáng màu, ngoài các quá trình nói trên, sẽ còn có những sự phức tạp khác liên quan. Do bước sóng khác nhau của các màu ánh sáng khác nhau nên hiệu suất nhiễu xạ của chúng cũng sẽ khác nhau. Do đó, trong quá trình truyền, năng lượng của mỗi màu ánh sáng có thể bị mất đi ở các mức độ khác nhau, dẫn đến sự phân tán. Bằng cách tối ưu hóa các thông số cách tử khác nhau, cách tử có thể kiểm soát chính xác năng lượng của các bước sóng ánh sáng khác nhau, từ đó giảm thiểu các vấn đề phân tán và cuối cùng cho phép chúng ta nhìn thấy hình ảnh với màu sắc chính xác.

Để giải quyết các vấn đề phức tạp của nhiễu xạ cách tử, công ty đã phát triển một bộ phần mềm tính toán toàn diện cho các loại cách tử khác nhau, dựa trên Phương pháp Phương thức Fourier (FMM), có thể tính toán nhanh chóng và chính xác các vấn đề nhiễu xạ liên quan đến cách tử.

Hơn nữa, công ty còn sở hữu một trung tâm xử lý tổng thể cách tử được trang bị đầy đủ và một hệ thống sản xuất hàng loạt hoàn chỉnh cho các ống dẫn sóng nhiễu xạ, đạt được sự phối hợp chặt chẽ giữa thiết kế và sản xuất. Khi thiết kế cách tử, có thể cân nhắc đến khả năng xử lý của bản gốc và kỹ thuật sản xuất, cho phép điều chỉnh và tối ưu hóa kịp thời khi có vấn đề phát sinh, dẫn đến chu kỳ lặp lại sản phẩm nhanh chóng.

Ống dẫn sóng nhiễu xạ, được các nhà sản xuất phần cứng AR lớn ưa chuộng, đặc biệt đề cập đến ống dẫn sóng cách tử bề mặt. Ưu điểm của nó bao gồm thiết kế mỏng, trường nhìn rộng, phạm vi chuyển động của mắt rộng và chi phí sản xuất hàng loạt thấp, khiến nó được coi là con đường công nghệ hiển thị chủ đạo trong ngành AR.

03 Ống dẫn sóng cách tử ba chiều khối lượng

Quá trình truyền ánh sáng trong ống dẫn sóng cách tử ba chiều thể tích về cơ bản tương tự như quá trình truyền trong ống dẫn sóng cách tử bề mặt.

Sự khác biệt chính nằm ở cách tạo ra cách tử hình ba chiều khối lượng. Thay vì được 'điêu khắc', cách tử hình ba chiều khối được hình thành bằng cách cho màng quang học trên chất nền tiếp xúc với các mẫu giao thoa được tạo ra bởi hai chùm ánh sáng kết hợp. Quá trình này tạo ra sự phân bố không gian định kỳ với các chỉ số khúc xạ khác nhau ở cấp độ phân tử. Cách tử ba chiều thể tích thường hoạt động trong điều kiện nhiễu xạ Bragg.

Điều kiện nhiễu xạ Bragg là gì?

Năm 1912, nhà khoa học người Đức Max von Laue đã phát hiện ra hiện tượng nhiễu xạ tia X trong tinh thể, đặt nền móng cho việc nghiên cứu vật lý nhiễu xạ tia X. Cùng năm đó, Lawrence Bragg, qua các nghiên cứu lặp đi lặp lại tại Phòng thí nghiệm Cavendish, đã kết luận rằng hiện tượng này là một loại hiệu ứng nhiễu xạ sóng.

Năm 1913, Lawrence Bragg và cha ông, Henry Bragg, cùng nhau đề xuất dạng nhiễu xạ tia X Bragg (được gọi là nhiễu xạ Bragg). Họ phát hiện ra rằng khi sóng hạt hạ nguyên tử đi vào tinh thể, nếu bước sóng của sóng hạt gần bằng khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể thì sóng hạt sẽ bị các nguyên tử tán xạ theo kiểu giống như gương. Sự tán xạ này sẽ dẫn đến sự giao thoa tăng cường theo định luật Bragg, hình thành các đỉnh sóng tập trung (được gọi là đỉnh Bragg). Các điều kiện Bragg là tiêu chí phải được đáp ứng để xảy ra hiện tượng giao thoa tăng cường.

Sơ đồ nhiễu xạ Bragg

Dựa trên nguyên lý nhiễu xạ Bragg, khi sóng ánh sáng đáp ứng các điều kiện Bragg, cách tử hình ba chiều thể tích có thể đạt được hiệu suất nhiễu xạ rất cao. Tuy nhiên, các điều kiện Bragg đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về góc và bước sóng của ánh sáng tới. Nếu những điều kiện này không được đáp ứng, hiệu suất nhiễu xạ có thể giảm nhanh chóng. Điều này dẫn đến các ống dẫn sóng cách tử ba chiều khối lượng đang gặp khó khăn để đạt được độ đồng đều màu tốt, không đáp ứng được nhu cầu thị trường.

Hiện tại, các ống dẫn sóng cách tử ba chiều thể tích thể hiện những khoảng trống đáng kể so với các ống dẫn sóng cách tử bề mặt về hiệu suất hiển thị, thương mại hóa sản phẩm và hỗ trợ công nghiệp.

04 Tóm tắt

Ống dẫn sóng nhiễu xạ AR sử dụng các đặc tính nhiễu xạ của cách tử để thiết kế 'đường dẫn ánh sáng', cho phép ánh sáng phát ra từ hệ thống chiếu vi mô hướng vào mắt người. Dựa trên loại cách tử nhiễu xạ được sử dụng, ống dẫn sóng nhiễu xạ có thể được phân loại thành ống dẫn sóng cách tử giảm bề mặt và ống dẫn sóng cách tử ba chiều thể tích.

Ống dẫn sóng cách tử bề mặt mang lại những ưu điểm như nhẹ, có trường nhìn rộng, phạm vi chuyển động của mắt rộng và chi phí sản xuất hàng loạt thấp. Do đó, chúng được coi là công nghệ hiển thị chủ đạo trong ngành AR. Trong khi các ống dẫn sóng cách tử ba chiều thể tích thể hiện hiệu suất nhiễu xạ rất cao, chúng gặp khó khăn với tính đồng nhất màu do các điều kiện nhiễu xạ Bragg nghiêm ngặt và vẫn đang trong giai đoạn đầu phát triển công nghệ, đòi hỏi những tiến bộ đáng kể để đạt được những đột phá.

Với những tiến bộ công nghệ và cải tiến liên tục trong quá trình xử lý, các ống dẫn sóng nhiễu xạ AR dựa trên cách tử giảm bề mặt đang bắt đầu thâm nhập thị trường tiêu dùng. Người ta tin rằng trong tương lai, họ sẽ cung cấp trải nghiệm hiển thị AR đặc biệt cho nhiều nhà sản xuất phần cứng AR hơn.