Augmented reality (AR), virtuell verklighet (VR) och mixed reality (MR) har vidgat perceptuella horisonter och inlett djupare mänsklig-digitala interaktioner som överskrider gränserna för traditionella platta bildskärmar.

Denna utveckling har låst upp en värld av spännande nya möjligheter, som omfattar metaversen, digitala tvillingar och rumslig datoranvändning, som alla har hittat utbredda tillämpningar inom olika områden som smart utbildning och träning, hälsovård, navigering, spel, underhållning och smart tillverkning .

För att AR-, VR- och MR-skärmar ska bli verkligt bärbara under en längre period finns det ett stort behov av kompakt och snygg formfaktor, låg vikt och låg strömförbrukning. Jämfört med Fresnel-linser och refraktiva linser har polarisationsbaserad viktoptik, ofta kallad pannkakeoptik, dykt upp som ett avgörande genombrott för kompakta och lätta VR-headset under de senaste åren, inklusive Apple Vision Pro och Meta Quest 3.

Denna pannkaksoptik reducerar kraftigt volymen på en VR-skärm, vilket i sin tur förbättrar headsetets tyngdpunkt. Den använda halvspegeln orsakar emellertid avsevärda optiska förluster, vilket begränsar den maximala verkningsgraden till 25 %. Därför arbetar forskare mot en ny optisk struktur med samma vikningsförmåga som pannkakslinsen, men utan den optiska förlusten.

Författarna till en ny artikel publicerad i Opto-Electronic Advances har utförligt utforskat ljusmotorer, bildoptik och strömförbrukning för AR-, VR- och MR-skärmar. Ett spelförändrande pannkaksoptiksystem för att minska volymen på VR- och MR-skärmar, samtidigt som det bibehåller en hög effektivitet, föreslås i den här artikeln.

Motivationen bakom denna forskning är den ökande efterfrågan på bärbara VR/MR-headset som inte bara är visuellt imponerande utan också bekväma för långvarig användning. Nuvarande VR-headset med konventionell pannkaksoptik står inför utmaningar som låg optisk effektivitet, vilket i sin tur leder till ökad termisk effekt av headsetet och kort batteritid på grund av den enorma optiska förlusten som induceras av halvspegeln.

Som avbildas i Fig. 1 (a–b) når endast cirka 25 % av ljuset (förutsatt att ingen annan förlust) från displaypanelen observatörens öga. Men om mikrodisplayen avger opolariserat ljus, reduceras den maximala optiska effektiviteten ytterligare till 12,5 %. Det oanvända ljuset kommer antingen att absorberas av headsetet, vilket skulle öka den termiska effekten, eller bli ströljus, vilket skulle försämra bildkvaliteten.

Det nya pannkaksoptiksystemet tar itu med denna utmaning genom att introducera en teoretiskt förlustfri design, som innehåller en icke-reciprok polarisationsrotator, även känd som Faraday-rotator, mellan reflekterande polarisatorer som visas i fig. 1 (c–d). I en sådan design spelar den icke-reciproka polarisationsrotatorn en avgörande roll för att vika de optiska banorna.

Jämfört med reciproka polarisationsrotatorn (t.ex. halvvågsplattor) roterar den icke reciproka polarisationsrotatorn det linjärt polariserade ljuset oberoende av den optiska vågens utbredningsriktning som fig. 2 visar. Följaktligen resulterar en tur och retur av fortplantningar framåt och bakåt genom den icke-reciproka polarisationsrotatorn i en nettorotation på 2θ.

Preliminära experiment utfördes med en laserkälla och en mikro-OLED-panel för att verifiera dess optiska effektivitet och vikningsförmåga som visas i Fig. 3 (a) respektive (b-c). Den uppmätta optiska effektiviteten är cirka 71,5 % på grund av avsaknaden av antireflexbeläggning (AR) och icke-ideal prestanda hos de använda reflekterande polarisatorerna.

Efter att ha använt högpresterande reflekterande polarisatorer och AR-beläggning förbättras den optiska effektiviteten till 93,2 %, vilket närmar sig den teoretiska förutsägelsen. Dessutom analyseras fyra typer av möjliga spökbilder i detta nya optiska pannkakasystem. Genom att identifiera grundorsaken till dessa spökbilder, föreslås nya metoder för att förbättra bildens kontrastförhållande. Dessutom föreslås en flerskiktsstruktur för att bredda Faraday-rotatorns bandbredd för att möjliggöra fullfärgsskärmar.

Som indikeras i Fig. 3 (d–f), är tre sekvenser av icke-reciproka polarisationsrotatorer och kvartsvågsplattor tillräckliga för att uppnå ett bredbandsspektralt svar. Slutligen, för att uppnå ett stort synfält och verkligt kompakt formfaktor, analyseras och diskuteras några möjliga kandidater för tunnfilmsmagnetoptikmaterial i artikeln.

Sammantaget visar dessa demonstrationer potentialen att ett så nytt pannkaksoptiksystem skulle kunna revolutionera nästa generations VR- och MR-skärmar med lätt, kompakt formfaktor och låg strömförbrukning. Det trängande behovet av en tunnfilm Faraday-rotator som är både magnetfri och mycket transparent, samtidigt som den har en stor Verdet-konstant i det synliga området, förväntas inspirera till nästa utveckling av magnetoptiskt material i framtiden.

Mer information: Yuqiang Ding et al, Brytande av den optiska effektivitetsgränsen för virtuell verklighet med en icke-reciprok polarisationsrotator, Opto-Electronic Advances (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230178

Tillhandahålls av Compuscript Ltd