Udforskning af fremskridt inden for bølgeleder-baserede augmented reality-skærme

I de seneste årtier har augmented reality (AR) udviklet sig fra et futuristisk koncept til en håndgribelig og gennemgående teknologi. AR forbedrer vores opfattelse og interaktion med miljøet ved problemfrit at blande projiceret virtuelt indhold med scener fra den virkelige verden. Waveguide-baserede AR-skærme er dukket op og udviklet som en kritisk teknologi til bærbare AR-systemer, hvilket gør det muligt for dem at være lette og have en slank formfaktor, mens de bevarer høj optisk ydeevne.

Bølgelederkombinere er kritiske komponenter i bølgelederbaserede AR-skærme. De fungerer som lysledere til at folde den optiske vej og replikere lysstyrken fra en lille lyskilde over et ekspansivt område. Dette opnås gennem en proces kaldet exit pupil expansion (EPE), som afspejler processen med at kopiere en enkelt indkommende stråle til adskillige stråler, hver med samme intensitet.

I et nyt papir udgivet i eLight , et team af videnskabsmænd ledet af professor Shin-Tson Wu fra University of Central Florida og professor Haowen Liang fra Sun Yat-sen University har gennemgået udviklingen af ​​bølgelederkombinere til skærme med udvidet virkelighed.

Der er forskellige typer af bølgelederkombinere, hver med sine egne fordele og ulemper. De mest almindelige stilarter omfatter geometriske bølgelederkombinere, diffraktive bølgelederkombinere og holografiske bølgelederkombinere.

Geometriske bølgelederkombinere er den enkleste type, men de kan være omfangsrige og have et begrænset synsfelt. Diffraktive bølgelederkombinere er mere komplekse at fremstille, men kan være tyndere og have et bredere synsfelt. Holografiske bølgelederkombinere er den mest avancerede type og er dyre at fremstille.

Bølgelederkombinere bruges typisk sammen med lysmotorer til at skabe bølgelederbaserede AR-skærme. Lysmotorer er de komponenter, der genererer lyset, der sprøjtes ind i bølgelederen. Nogle af de mest almindelige typer mikrodisplay-lysmotorer omfatter flydende krystal-på-silicium, mikro-LED, mikro-OLED, laserstrålescanning og MEMS.

Waveguide combiner design er en udfordrende opgave. Designere skal overveje en række faktorer, såsom optisk ydeevne, fremstillingsevne og omkostninger. Nogle nøgleudfordringer i design af bølgelederkombinere omfatter EPE-skemadesign, synsfeltudvidelse, frontgeometridesign af koblere, fuldfarveskærme, optisk effektivitet og ensartethedsoptimering.

Waveguide combiner-teknologi er stadig i sine indledende udviklingsstadier, men den har potentialet til at revolutionere AR-skærme. Designere arbejder på at overvinde de nuværende udfordringer og udvikle nye bølgelederkombinere, der er mere effektive, overkommelige og nemme at fremstille.

Geometriske bølgelederkombinere tilbyder et potentielt stort synsfelt (FoV), god ensartethed, ubetydelig øjenglød og høj effektivitet, men de har en mere kompliceret fremstillingsproces og lavt udbytte. Diffraktive bølgelederkombinere har en relativt lav effektivitet og en mindre FoV, og de lider også af andre problemer, såsom farveuensartethed, øjenglød og regnbueeffekt.

Forbedring af diffraktiv bølgeledereffektivitet og samtidig opretholdelse af god ensartethed er en afgørende udfordring. Fremskridt inden for EPE-design, fremstillingsmetoder og materialers ydeevne af diffraktive koblere kunne forbedre diffraktive bølgelederkombinere, så de matcher geometriske bølgelederkombinere.

Den nuværende brydningsindeksmodulation af VHG'er (volumen holografiske gitter) er imidlertid utilstrækkelig til at udvide FoV ud over 50°, og billige, højkvalitets fremstillingsprocesser for SRG'er (overfladeaflastningsgitre) er nødvendige.

PVG'er (polarization volume gratings), en ny diffraktiv kobler, giver dynamiske moduleringsmuligheder, hvilket udvider funktionaliteten af ​​bølgelederbaserede AR-skærme.

Metasurface-baserede koblinger tilbyder omfattende designfriheder, hvilket muliggør nye funktionaliteter som akromatiske egenskaber. Yderligere fremskridt inden for enhedskonstruktion og fremstillingsprocesser forventes at forbedre ydeevnen af ​​PVG'er og metasurface-baserede koblere til AR-skærme.

Flere oplysninger: Yuqian Ding et al., Waveguide-baserede augmented reality displays:perspektiver og udfordringer, eLight (2023). DOI:10.1186/s43593-023-00057-z

Journaloplysninger: eLight

Leveret af Chinese Academy of Sciences