Revolutionerende næste generations VR- og MR-skærme med et nyt pandekageoptiksystem

Augmented reality (AR), virtual reality (VR) og mixed reality (MR) har udvidet perceptuelle horisonter og indvarslet dybere menneske-digitale interaktioner, der overskrider grænserne for traditionelle fladskærme.

Denne udvikling har låst op for et rige af spændende nye muligheder, der omfatter metaverse, digitale tvillinger og rumlig databehandling, som alle har fundet udbredte anvendelser inden for forskellige områder såsom smart uddannelse og træning, sundhedspleje, navigation, spil, underholdning og smart fremstilling .

For at AR-, VR- og MR-skærme virkelig skal kunne bæres i en længere periode, er der et presserende behov for en kompakt og stilfuld formfaktor, lav vægt og lavt strømforbrug. Sammenlignet med Fresnel-linser og refraktive linser er polarisationsbaseret foldet optik, ofte omtalt som pandekageoptik, dukket op som et afgørende gennembrud for kompakte og lette VR-headsets i de seneste par år, inklusive Apple Vision Pro og Meta Quest 3.

Disse pandekageoptik reducerer i høj grad volumen på en VR-skærm, hvilket igen forbedrer tyngdepunktet for headsettet. Imidlertid forårsager det anvendte halvspejl betydelige optiske tab, hvilket begrænser den maksimale effektivitet til 25%. Derfor arbejder forskere hen imod en ny optisk struktur med samme foldningsevne som pandekagelinsen, men uden det optiske tab.

Forfatterne til en ny artikel offentliggjort i Opto-Electronic Advances har grundigt udforsket lysmotorer, billedoptik og strømforbrug for AR-, VR- og MR-skærme. Et spilskiftende pandekageoptiksystem til at reducere volumen af ​​VR- og MR-skærme, og samtidig bevare en høj effektivitet, foreslås i denne artikel.

Motivationen bag denne forskning er den stigende efterspørgsel efter bærbare VR/MR-headset, der ikke kun er visuelt imponerende, men også behagelige til længerevarende brug. Nuværende VR-headset med konventionel pandekageoptik står over for udfordringer såsom lav optisk effektivitet, hvilket igen fører til øget termisk effekt af headsettet og kort batterilevetid på grund af det enorme optiske tab, som det halve spejl inducerer.

Som afbildet i fig. 1 (a–b) når kun omkring 25 % af lyset (forudsat at der ikke er andet tab) fra skærmpanelet observatørens øje. Men hvis mikroskærmen udsender upolariseret lys, reduceres den maksimale optiske effektivitet yderligere til 12,5 %. Det ubrugte lys vil enten blive absorberet af headsettet, hvilket ville øge den termiske effekt, eller blive til strølys, hvilket ville forringe billedkvaliteten.

Det nye pandekageoptiksystem løser denne udfordring ved at introducere et teoretisk tabsfrit design, der inkorporerer en ikke-gensidig polarisationsrotator, også kendt som Faraday-rotator, mellem reflekterende polarisatorer som vist i fig. 1 (c-d). I et sådant design spiller den ikke-gensidige polarisationsrotator en kritisk rolle ved foldning af de optiske veje.

Sammenlignet med reciprok polarisationsrotator (f.eks. halvbølgeplader) roterer den ikke-reciproke polarisationsrotator det lineært polariserede lys uafhængigt af den optiske bølges udbredelsesretning, som fig. 2 viser. Som følge heraf resulterer en rundtur af fremad- og tilbageudbredelse gennem den ikke-reciprokke polarisationsrotator i en nettorotation på 2θ.

Foreløbige eksperimenter blev udført med en laserkilde og et mikro-OLED-panel for at verificere dens optiske effektivitet og foldningsevne som afbildet i henholdsvis fig. 3 (a) og (b-c). Den målte optiske effektivitet er omkring 71,5 % på grund af manglen på antirefleksbelægning (AR) og ikke-ideel ydeevne af de anvendte reflekterende polarisatorer.

Efter brug af højtydende reflekterende polarisatorer og AR-belægning er den optiske effektivitet forbedret til 93,2 %, hvilket nærmer sig den teoretiske forudsigelse. Derudover analyseres fire typer mulige spøgelsesbilleder i dette nye optiske pandekagesystem. Ved at identificere årsagen til disse spøgelsesbilleder foreslås nye metoder til at forbedre billedets kontrastforhold. Derudover foreslås en flerlagsstruktur for at udvide Faraday-rotatorens båndbredde for at muliggøre fuldfarveskærme.

Som angivet i fig. 3 (d-f) er tre sekvenser af ikke-reciproke polarisationsrotatorer og kvartbølgeplader tilstrækkelige til at opnå en bredbåndsspektral respons. Til sidst, for at opnå et stort synsfelt og en virkelig kompakt formfaktor, analyseres og diskuteres nogle mulige kandidater til tyndfilms magneto-optisk materiale i artiklen.

Samlet set viser disse demonstrationer potentialet i, at et sådant nyt pandekageoptiksystem kunne revolutionere næste generations VR- og MR-skærme med en let, kompakt formfaktor og lavt strømforbrug. Det presserende behov for en tyndfilm Faraday-rotator, der er både magnetfri og meget gennemsigtig, samtidig med at den har en stor Verdet-konstant i det synlige område, forventes at inspirere til næste runde magneto-optisk materialeudvikling i fremtiden.

Flere oplysninger: Yuqiang Ding et al., At bryde den optiske effektivitetsgrænse for virtual reality med en ikke-gensidig polarisationsrotator, Opto-Electronic Advances (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230178

Leveret af Compuscript Ltd