Optik dalga kılavuzlarının temel ilkelerini keşfedin ve AR gözlüklerin arkasındaki zorlukları anlayın (bölüm 1)
Optik dalga kılavuzları, hafif olmaları ve yüksek dış ışık penetrasyonları nedeniyle tüketici AR gözlükleri için gerekli optik çözümler olarak kabul edilir, ancak yüksek fiyatları ve yüksek teknik engelleri nedeniyle engelleyicidirler. Optik dalga kılavuzu teknolojisinin Microsoft HoloLens2 ve Magic Leap One gibi yaygın AR cihazları tarafından benimsenmesi ve seri üretimi ile ve DigiLens, Nederka ve Lingxi Low Light gibi AR optik modül üreticilerinden gelen son finansman haberlerinin sık sık ifşa edilmesi ile Tartışma çok artmaya devam etti.
Peki, optik dalga kılavuzunun çalışma prensibi nedir? Piyasadaki optik dalga kılavuzları, geometrik optik dalga kılavuzları, kırınımlı optik dalga kılavuzları, holografik optik dalga kılavuzları ve çok katmanlı optik dalga kılavuzları dizisi arasındaki fark nedir? AR gözlük pazarının modelini adım adım nasıl değiştiriyor?
1. Optik dalga kılavuzu, AR gözlükleri için optik bir çözüm
Artırılmış gerçeklik (AR) ve sanal gerçeklik (VR), son yıllarda yaygın olarak ilgi gören bilim ve teknoloji alanlarıdır. Göze yakın görüntüleme sistemlerinin tümü, bir dizi optik görüntüleme öğesi aracılığıyla uzak bir sanal görüntü oluşturmak ve bunu insan gözüne yansıtmak için ekrandaki pikselleri kullanır. .
Aradaki fark, AR gözlüklerinin yalnızca gerçek dış dünyayı görmesi değil, aynı zamanda sanal bilgiyi de görmesi gereken, böylece görüntüleme sisteminin görüş hattını engelleyememesidir. Bu, sanal bilgileri ve gerçek sahneleri "yığınlanmış" bir form aracılığıyla entegre etmek, birbirini tamamlamak ve birbirini "geliştirmek" için bir veya bir grup optik birleştiricinin eklenmesini gerektirir.
Şekil 1. (a) Sanal gerçeklik (VR) yakın göz görüntüleme sisteminin şematik diyagramı; (b) Artırılmış gerçeklik (AR) yakın göz görüntüleme sisteminin şematik diyagramı.
NED: Yakın göz ekranı (kısaca NED)
Bir AR cihazının optik görüntüleme sistemi genellikle bir mikro görüntüleme ekranı ve optik elemanlardan oluşur. Özetle, şu anda piyasadaki AR gözlüklerinde kullanılan görüntüleme sistemi, çeşitli mikro ekranların ve prizmalar, serbest biçimli yüzeyler, BirdBath ve optik dalga kılavuzları gibi optik öğelerin bir kombinasyonudur.Optik birleştiricilerdeki fark, AR ekran sistemlerini ayırt etmenin anahtarıdır. Bölüm.
Cihaz için görüntü içeriği sağlamak için kullanılan mikro görüntü ekranı. Mikro OLED gibi ışık yayan diyot paneller ve şimdi çok popüler mikro-LED gibi kendinden ışıklı aktif bir cihaz olabilir veya harici ışık kaynağı aydınlatması gerektiren bir sıvı kristal ekran olabilir (geçirgen LCD ve yansıtıcı LCOS dahil) Mikro-elektromekanik sistemler (MEMS) teknolojisine dayalı dijital mikro ayna dizileri (DMD, DLP'nin çekirdeği) ve lazer ışını tarayıcıları (LBS) da vardır.
İşte basit bir AR optik görüntüleme sistemi sınıflandırması ve ürün örnekleri:
Bu makale esas olarak optik dalga kılavuzlarının çalışma prensiplerini ve özelliklerini açıkladığından, diğer optik çözümler ayrıntılı olarak tanıtılmayacaktır.Birkaç çözüm arasındaki farklar hakkında birçok makale bulunmaktadır. Açıkçası, mükemmel optik çözüm henüz ortaya çıkmadı ve mevcut piyasada yüzlerce düşünce okulu ve çiçek açan yüz çiçek var Bu, AR gözlüklerinin ürün tasarımcısının uygulama senaryolarına ve ürün konumlandırmasına dayalı olarak değiş tokuş yapmasını gerektiriyor. Optik dalga kılavuzu çözümünün optik efektler, görünüm ve seri üretim beklentileri açısından en iyi geliştirme potansiyeline sahip olduğuna ve AR gözlüklerinin tüketici sınıfı haline gelmesinin en iyi seçenek olabileceğine inanıyoruz.
2. Optik dalga kılavuzu nasıl çalışır?
Yukarıda bahsedilen optik görüntüleme bileşenleri arasında, optik dalga kılavuzu teknolojisi, AR gözlüklerinin ihtiyaçlarına yanıt olarak ortaya çıkan nispeten farklı bir optik bileşendir.İnce olması ve harici ışığın yüksek penetrasyon özelliklerinden dolayı, tüketici AR gözlükleri için gerekli optik olarak kabul edilir. Çözüm ve iki nesil Microsoft Hololens ve Magic Leap One ve diğer cihazlar tarafından optik dalga kılavuzlarının benimsenmesi ve seri üretimiyle, optik dalga kılavuzları hakkındaki tartışma artmaya devam ediyor.
Aslında dalga kılavuzu teknolojisi yeni bir buluş değil, tanıdık optik iletişim sisteminde, sinyalleri iletmek için kullanılan optik fiberler, okyanusun diğer tarafını birbirine bağlayan sayısız denizaltı optik kabloları oluşturur ki bu bir tür dalga kılavuzu, ancak iletim bizim için görünmezdir. Kızılötesi ışık.
AR camlarında, iletim sürecinde ışık kaybı veya sızıntısı yoksa, anahtar "toplam yansıma" dır, yani ışık, dalga kılavuzunda bir yılan gibi yansıma yoluyla iletilmeden ileri geri hareket eder. Basit bir ifadeyle, toplam yansımayı elde etmek için iki koşul karşılanmalıdır: (1) İletim ortamı, yani dalga kılavuzu malzemesi, çevreleyen ortamdan daha yüksek bir kırılma indisine sahip olmalıdır (Şekil 2 n1'de gösterildiği gibi) > n2); (2) Dalga kılavuzuna giren ışığın olay açısının kritik açıdan c daha büyük olması gerekir.
Şekil 2. Toplam yansıma ilkesinin şematik diyagramı
Optik makine görüntüleme sürecini tamamladıktan sonra, dalga kılavuzu ışığı kendi cam alt tabakasına bağlar ve ışığı "toplam yansıma" prensibiyle gözün önüne iletir ve ardından serbest bırakır. Bu süreçte dalga kılavuzu yalnızca görüntünün iletilmesinden sorumludur. Genellikle görüntünün kendisi üzerinde herhangi bir "iş" yapmaz (yakınlaştırma ve uzaklaştırma gibi). "Paralel ışık girişi, paralel ışık çıkışı" olarak anlaşılabilir, bu nedenle görüntüleme sisteminden bağımsız olarak var olur Tek bileşenli.
Optik dalga kılavuzunun bu özelliği, başlık tasarımını optimize etmek ve görünümü güzelleştirmek için büyük avantajlara sahiptir. Bir iletim kanalı olarak dalga kılavuzu sayesinde, görüntüleme ekranı ve görüntüleme sistemi gözlüklerden alnın üstüne veya yanına hareket ettirilebilir, bu da optik sistemin tıkanmasını dış görünüme büyük ölçüde azaltır ve ağırlık dağılımını daha ergonomik hale getirir, böylece iyileştirilir. Cihazın kullanım deneyimi.
Dalga kılavuzu teknolojisinin temel avantajları ve dezavantajları aşağıda listelenmiştir.Umarım okuyucuların bu makaleyi okuduktan sonra nedenleri daha iyi anlayacaklardır.
avantaj
-
Daha fazla insana uyum sağlamak, mekanik toleransı iyileştirmek ve tüketici sınıfı ürünlerin gerçekleştirilmesini teşvik etmek için hareketli göz çerçevesinin menzilini genişletin - tek boyutlu ve iki boyutlu öğrenci genişletme teknolojisi ile hareketli göz çerçevesini artırın.
-
Görüntüleme sistemi, görüş hattını engellemeyen ve ağırlık dağılımını iyileştiren yan tarafa yerleştirilmiştir - dalga kılavuzu lensi, görüntüyü bir optik kablo gibi insan gözüne iletir.
-
Görünüm şekli, tasarım yinelemesine elverişli olan geleneksel camlara daha çok benziyor - dalga kılavuzu şekli genellikle anahatları kesilebilen düz ve ince bir cam levhadır.
-
"Gerçek" üç boyutlu görüntü-çok katmanlı dalga kılavuzu tabakalarının birlikte istiflenebilme olasılığını sağlar, her katman sanal bir görüntü mesafesi sağlar.
yetersiz
-
Optik verimlilik nispeten düşük ışık, dalga kılavuzu ve iletim içine ve dışına bağlanma sürecinde kaybolur ve büyük hareketli göz çerçevesi, tek noktalı çıktı parlaklığını azaltır.
-
Geometrik dalga kılavuzu: Sıkıcı üretim süreci, düşük bir toplam verime yol açar.
-
Kırınımsal dalga kılavuzu: Kırınımlı dağılım görüntüde "gökkuşağı" fenomenine ve hale, geleneksel olmayan geometrik optiklere ve yüksek tasarım eşiğine yol açar.
Şekil 3. Dalga kılavuzuna dayalı AR gözlüklerinin görünüm ilkesinin şematik diyagramı
Üç, optik dalga kılavuzlarının farklı sınıflandırmaları
Makalenin ikinci bölümünde bahsedildiği gibi, dalga kılavuzu yapısının temeli ince ve şeffaf bir cam substrattır (genellikle birkaç milimetre veya milimetrenin altında kalınlıkta) ve ışık, camın üst ve alt yüzeyleri arasında "toplam yansıma" ile ileri geri hareket eder.
Toplam yansıma koşullarına dayalı bir hesaplama yaparsak, AR gözlüklerinin son görüş alanı (FOV) aralığını belirleyen dalga kılavuzunda gelen ışığın açısının yalnızca bir kısmının iletilebileceğini bulacağız.
Kısacası, görüş açısı ne kadar büyükse, cam alt tabakanın kırılma indisi o kadar yüksek olmalıdır. Bu nedenle, Corning ve Schott gibi geleneksel cam üreticileri, son yıllarda göze yakın ekran pazarı için özel yüksek kırılma indeksi ve ince cam alt tabakalar geliştiriyor ve ayrıca dalga kılavuzu üretimini azaltmak için gofret boyutunu artırmaya çalışıyor. Birim maliyet.
Yüksek kırılma indisine sahip bir cam substrat ile, dalga kılavuzu tipi arasındaki temel fark, dalga kılavuzuna giren ve çıkan ışığın bağlantı yapısıdır. Genel olarak, optik dalga kılavuzları iki türe ayrılabilir: Geometrik Dalga Kılavuzu ve Kırınımlı Dalga Kılavuzu Geometrik optik dalga kılavuzları, görüntü çıktısını gerçekleştiren ve dizi aynalarını istifleyerek göz çerçevesini hareket ettiren sözde dizili optik dalga kılavuzlarıdır. Genişleme, temsili optik şirket İsrail'in Lumus'udur, şu anda piyasada büyük ölçekli seri üretilen gözlük ürünleri bulunmamaktadır.
Kırınımlı optik dalga kılavuzları esas olarak fotolitografi teknolojisi ile üretilen yüzey kabartmalı ızgaralı dalga kılavuzlarını (Yüzey Kabartma Izgarası) ve holografik girişim teknolojisine dayalı olarak üretilen holografik holografik ızgaralı dalga kılavuzlarını (Hacimsel Holografik Izgara) içerir. HoloLens 2, Magic Leap One öncekine aittir ve holografik hacim ızgaraları Optik dalga kılavuzları, kabartma ızgaralar yerine holografik hacim ızgaraları kullanır.Apple'ın satın aldığı Akonia, holografik hacimli ızgaralar kullanır.Ayrıca Digilens bu doğrultuda kararlıdır. Bu teknoloji hala geliştirme aşamasındadır ve renk performansı daha iyidir, ancak FOV üzerindeki mevcut kısıtlamalar da nispeten büyüktür.
Gerçek "holografik teknoloji" arasında da bir ayrım vardır. Aslında, bu her zaman bir yanlış anlaşılma olmuştur. Holografik ızgara, yalnızca holografiye benzer ilke kullanılarak, yani oluşturmak için ızgara malzemesinin özelliklerini modüle etmek için girişim saçakları oluşturmak için iki lazer kullanılarak üretilmiştir. "Kırılma indisi süresi", ızgaranın kendisi holografik görüntüleme için kullanılamaz.
Dördüncüsü, çalışma prensibi ve geometrik optik dalga kılavuzlarının avantajları ve dezavantajları
Makalenin sınırlı uzunluğu nedeniyle, bugün ağırlıklı olarak geometrik dalga kılavuzlarının çalışma prensiplerini ve avantajlarını ve dezavantajlarını analiz edeceğiz ve sonraki makale kırınımlı dalga kılavuzlarına odaklanacak.
Şekil 4. Optik dalga kılavuzlarının türleri: (a) Geometrik optik dalga kılavuzlarının ve "yarı saydam" ayna dizilerinin şematik diyagramı, (b) Kırınımlı optik dalga kılavuzlarının ve yüzey rölyef ızgaralarının şematik diyagramları, (c) Kırınımlı optik dalga kılavuzları Ve holografik hacim ızgarasının şematik diyagramı.
"Geometrik Optik Dalga Kılavuzu" kavramı ilk olarak İsrailli Lumus şirketi tarafından önerildi ve kendini optimizasyon ve yinelemeye adadı ve neredeyse yirmi yıl oldu. Şekil 4 (a) 'da gösterildiği gibi, dalga kılavuzuna bağlanan ışık genellikle bir yansıtıcı yüzey veya prizmadır. Işık, çok sayıda toplam yansıma turundan sonra camların önüne ulaştığında, ışığı dalga kılavuzundan, yani geometrik optik dalga kılavuzundaki "ışık birleştirici" ile bağlama yapısı olan "yarı saydam" bir ayna dizisi ile karşılaşacaktır.
"Yarı saydam ve yarı yansıtıcı" (veya "kısmen geçirgen ve kısmen yansıtıcı") ayna, cam alt tabakaya gömülü ve iletilen ışıkla belirli bir açı oluşturan bir yüzeydir.Her ayna, ışığın bir kısmını dalga kılavuzundan yansıtır ve insan gözüne girer. Kalan ışık dalga kılavuzundan geçer ve hareket etmeye devam eder. Daha sonra ilerleyen ışığın bu kısmı, başka bir "yarı geçirgen" ayna yüzeyiyle karşılaşır ve yukarıdaki "yansıma-aktarım" işlemi, ayna dizisindeki son ayna, dalga kılavuzundan kalan tüm ışığı insan gözüne yansıtana kadar tekrarlanır. .
Geleneksel optik görüntüleme sistemlerinde, görüntünün genellikle çıkış göz bebeği adı verilen tek bir "çıkışı" vardır. Buradaki "yarı saydam ve yarı yansıtıcı" ayna dizisi, yatay yöndeki çıkış gözbebeğinin çoklu kopyalarına eşdeğerdir ve her çıkış göz bebeği aynı görüntüyü çıkarır, böylece görüntü, gözler yanal olarak hareket ettiğinde görülebilir Bu tek boyutlu genişlemedir. Öğrenci teknolojisi (1D EPE).
Ayrıntılı olarak, dalga kılavuzunun "giriş gözbebeği" nin 4 mm çapında bir ışın olduğunu varsayalım. Dalga kılavuzu yalnızca iletimden sorumlu olduğundan ve görüntüyü büyütmediğinden veya küçültmediğinden, "çıkış göz bebeği" de 4 mm'lik bir ışındır. Bu durumda, Gözün göz bebeği merkezi ancak bu 4 mm'lik aralık içinde hareket edebilir ve görüntü hala görülebilir.
Sorun, farklı cinsiyet ve yaştaki kişilerin göz bebekleri arasındaki mesafenin 51 mm ile 77 mm arasında değişebilmesidir.Göz yakını görüntüleme sisteminin optik merkezi, ortalama göz bebekleri arasındaki mesafeye (63,5 mm) göre tasarlanmışsa, bu, Çok sayıda insan bu gözlükleri taktıklarında net görüntüleri göremez veya hiç görüntü alamaz.
Bu göz bebeği genişletme teknolojisi ile, hareketli göz çerçevesinin aralığı genellikle ilk 4 mm'den 10 mm'nin üzerine çıkarılabilir. Merak ediyor olabilirsiniz, birden fazla çıkış öğrencisi, böylece gözler hayalet görüntüleri görmesin? Endişelenmeyin, göz bebeği çıkış yüzeyi görüntünün yalnızca "Fourier yüzeyi" dir. İnsan göz bebeği bu yüzeyden tam görüntü bilgisini kesecek ve çıkış göz bebeği yüzeyini gerçek "görüntü yüzeyine" iletmek için kendi "lens" lensini kullanacaktır ( Retinada), aynı açıdan gelen ışık, gölgelenme olmadan aynı piksel (görsel hücre) üzerinde birleşmeye devam edecektir.
Anlaması biraz zor olabilir, ancak bu, göz bebeği genişletme teknolojisinin uygulanabilirliğinin özüdür. Gözü hareket ettiren çerçevenin genişletilmesi, ürün tasarımındaki mekanik tasarım toleransları, ürün özelliklerinin sayısı (erkek ve dişi versiyonlara bölünmesi gerekir), kullanıcı etkileşimi deneyimi gibi birçok sorunu çözerek AR gözlüklerini tüketici düzeyinde bir ürün haline getirir. İleri bir adım.
Ancak dünyada bedava yemek yoktur, çıkış gözbebeğinin kopyalanması toplam ışık çıkış alanının artmasına neden olur Doğal olarak, her çıkış pupil pozisyonunda görülen ışık miktarı azalır, bu da dalga kılavuzu teknolojisinin ışık verimliliğinin geleneksel optik sisteminkinden daha düşük olmasına neden olur. nedenlerinden biri.
Geometrik optik dalga kılavuzu, geleneksel geometrik optik tasarım konseptlerini, simülasyon yazılımını ve üretim süreçlerini kullanır ve herhangi bir mikro-nano yapı içermez. Bu nedenle renk ve kontrast dahil olmak üzere görüntü kalitesi çok yüksek seviyelere ulaşabilir.
Bununla birlikte, işlem akışı nispeten zahmetlidir ve adımlardan biri "yarı saydam" ayna dizisinin kaplama işlemidir. Yayılma işlemi sırasında ışık gittikçe azalacağından, dizideki beş veya altı aynanın her biri, hareketli göz çerçevesinin tamamında yayılan ışık miktarının aynı olmasını sağlamak için farklı bir yansıtma ve geçirgenliğe (R / T) ihtiyaç duyar. .
Ve geometrik dalga kılavuzu tarafından yayılan ışık genellikle polarize olduğundan (LCOS mikro ekranın çalışma prensibinden türetilmiştir), her ayna yüzeyindeki kaplama katmanlarının sayısı düzinelerce hatta düzinelere ulaşabilir. Ayrıca bu aynalar kaplandıktan sonra birbirine katlanarak özel yapıştırıcı ile yapıştırılır ve daha sonra dalga kılavuzunun şeklini belli bir açıyla keser.Bu işlemde aynalar ile kesme açısı arasındaki paralellik görüntü kalitesini etkileyecektir.
Bu nedenle, sürecin her adımı yüksek verim elde edebilse bile, bu düzinelerce adımın toplam verimi bir zorluktur. İşlemin her adımının başarısız olması, görüntülemede arka plan siyah şeritleri, eşit olmayan parlaklık, hayalet görüntüler vb.
Ek olarak, işlemin optimizasyonu ile ayna dizisi neredeyse "görünmez" olsa da, ışık makinesi kapatıldığında lens üzerinde bir sıra dikey şerit (yani ayna dizisi) görülebilir ve bu da dış kısmın bir kısmını bloke edebilir. Görüş hattı ayrıca AR gözlüklerinin güzelliğini de etkiler.
Yazar tanıtımı: Li Kun, Zhejiang Üniversitesi'nden Optoelektronik alanında lisans derecesi ve California Üniversitesi, Berkeley, ABD'den doktora derecesi ile mezun olmuştur. Ana araştırma yönleri arasında optik görüntüleme sistemleri, optoelektronik cihazlar, yarı iletken lazerler ve nanoteknoloji bulunmaktadır. Şimdi San Francisco Körfez Bölgesi'ndeki Rokid R-lab'da optik araştırma bilimcisi ve bir dizi proje lideri olarak çalışıyor.
Lei Feng
