Under de senaste decennierna har förstärkt verklighet (AR) utvecklats från ett futuristiskt koncept till en påtaglig och genomgripande teknologi. AR förbättrar vår uppfattning och interaktion med miljön genom att sömlöst blanda projicerat virtuellt innehåll med verkliga scener. Waveguide-baserade AR-skärmar har dykt upp och utvecklats som en kritisk teknologi för bärbara AR-system, vilket gör att de kan vara lätta och ha en smal formfaktor samtidigt som de behåller hög optisk prestanda.
Vågledarkombinerare är kritiska komponenter i vågledarbaserade AR-skärmar. De fungerar som ljusledare för att vika den optiska banan och replikera ljusstyrkan från en liten ljuskälla över ett vidsträckt område. Detta uppnås genom en process som kallas exit pupil expansion (EPE), som speglar processen att replikera en enstaka inkommande stråle till flera strålar, var och en med samma intensitet.
I en ny tidning publicerad i eLight , ett team av forskare ledda av professor Shin-Tson Wu från University of Central Florida och professor Haowen Liang från Sun Yat-sen University har granskat utvecklingen av vågledarkombinatorer för skärmar med förstärkt verklighet.
Det finns olika typer av vågledarkombinerare, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. De vanligaste stilarna inkluderar geometriska vågledarkombinatorer, diffraktiva vågledarkombinerare och holografiska vågledarkombinerare.
Geometriska vågledarkombinatorer är den enklaste typen, men de kan vara skrymmande och ha ett begränsat synfält. Diffraktiva vågledarkombinerare är mer komplexa att tillverka men kan vara tunnare och ha ett bredare synfält. Holografiska vågledarkombinatorer är den mest avancerade typen och är dyra att tillverka.
Waveguide combiners används vanligtvis med ljusmotorer för att skapa vågledarbaserade AR-skärmar. Ljusmotorer är de komponenter som genererar ljuset som sprutas in i vågledaren. Några av de vanligaste typerna av mikrodisplayljusmotorer inkluderar flytande kristall-på-kisel, mikro-LED, mikro-OLED, laserstråleskanning och MEMS.
Waveguide combiner design är en utmanande uppgift. Designers måste överväga en mängd olika faktorer, såsom optisk prestanda, tillverkningsbarhet och kostnad. Några viktiga utmaningar i design av vågledarkombinatorer inkluderar EPE-schemadesign, synfältsexpansion, frontgeometridesign av kopplare, fullfärgsskärmar, optisk effektivitet och enhetlighetsoptimering.
Waveguide combiner-teknologi är fortfarande i sina preliminära utvecklingsstadier, men den har potential att revolutionera AR-skärmar. Designers arbetar för att övervinna de nuvarande utmaningarna och utveckla nya vågledarkombinatorer som är mer effektiva, prisvärda och enkla att tillverka.
Geometriska vågledarkombinatorer erbjuder ett potentiellt stort synfält (FoV), god enhetlighet, försumbar ögonglöd och hög effektivitet, men de har en mer komplicerad tillverkningsprocess och lågt utbyte. Diffraktiva vågledarkombinatorer har en relativt låg effektivitet och en mindre FoV, och de lider också av andra problem, såsom färgolikformighet, ögonglöd och regnbågseffekt.
Att förbättra effektiviteten hos den diffraktiva vågledaren samtidigt som god enhetlighet bibehålls är en avgörande utmaning. Framsteg inom EPE-konstruktioner, tillverkningsmetoder och materialprestanda för diffraktiva kopplare kan förbättra diffraktiva vågledarkombinerare för att matcha geometriska vågledarkombinatorer.
Den nuvarande brytningsindexmoduleringen av VHG (volymholografiska gitter) är dock otillräcklig för att förlänga FoV över 50°, och lågkostnads, högkvalitativa tillverkningsprocesser för SRG:er (ytavlastningsgitter) behövs.
PVG:er (polarisationsvolymgitter), en ny diffraktiv kopplare, ger dynamiska moduleringsmöjligheter, vilket utökar funktionaliteten hos vågledarbaserade AR-skärmar.
Metasytebaserade kopplingar erbjuder omfattande designfriheter, vilket möjliggör nya funktioner som akromatiska egenskaper. Ytterligare framsteg inom enhetskonstruktion och tillverkningsprocesser förväntas förbättra prestandan hos PVG:er och metasytebaserade kopplare för AR-skärmar.
Mer information: Yuqian Ding et al, Waveguide-baserade förstärkta verklighetsdisplayer:perspektiv och utmaningar, eLight (2023). DOI:10.1186/s43593-023-00057-z
Journalinformation: eLight
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
