Оптический волновод: Ключевая технология AR-дисплеев (Часть 2)


04.01.2020 Время чтения - 13 минут 281

В первой части этой статьи мы объяснили принцип работы оптического волновода и сравнили его с другими технологиями, используемыми в AR-дисплеях. Затем мы сосредоточились на обсуждении одной категории оптических волноводов – геометрических или матричных волноводов. В заключении второй части этой статьи мы поговорим о другой основной группе оптических волноводов – дифракционном волноводе. По нашему мнению, дифракционный волновод, или волновод с поверхностными рельефными решетками в качестве дифракционных элементов, в настоящее время является наиболее перспективным решением для AR-очков широкого потребления. Возможность массового производства уже была подтверждена такими AR-продуктами: Hololens I и II, Magic Leap One и т.д. Во втором поколении AR-очков, недавно выпущенного Rokid, уже использовалось бинокулярное дифракционное волноводное решение.

Волновод. 3 типа
Рисунок 1. Типы волноводных технологий: (а) геометрический волновод с отражающей зеркальной решеткой, (b) дифракционный волновод с поверхностными рельефными решетками, (с) дифракционный волновод с объемными голографическими решетками.

В этой статье мы остановимся на принципе работы дифракционного волновода, его плюсах и минусах по сравнению с геометрическим волноводом и двух основных группах дифракционных решеток – поверхностной рельефной решеткой (SRG) и объемной голографической решеткой (VHG).

Дифракционная решетка – центр ​​дифракционного волновода

Для того, чтобы передать виртуальное изображение из оптического механизма в наши глаза, существуют процессы «сопряжения» и «разрыва» с оптическим волноводом. В геометрическом волноводе эти процессы осуществляются с помощью таких традиционных оптических элементов, как призма и трансфлективная зеркальная решетка. Рабочий механизм относительно прост, но он, как правило, громоздкий и очень сложный в производстве. В дифракционном волноводе обычные оптические элементы заменяются плоскими дифракционными решетками. Этот подход значительно лучше благодаря достижениям в области микро/нанофабрикации.

Что же тогда такое дифракционная решетка?

Проще говоря, это периодическая оптическая структура, периодичность которой может быть представлена ​​либо рельефными максимумами и минимума на поверхности материала (рисунок 1.b), либо «светлыми/темными» полосами, образованными лазерными помехами в голографической технологии (рисунок 1.с). Природа всех этих форматов заключается в периодичности показателя преломления n. Обычно этот период должен примерно равным или меньше оптической длины волны (видимый диапазон ~ 450–700 нм), чтобы эффективно управлять светом в дифракционном режиме.

Характер «расщепления света» дифракционной решетки показан в двух аспектах. Как показано на рисунке 2, предполагается, что падающий свет имеет зеленоватый оттенок при одной длине волны, которая будет перенаправлена в несколько порядков дифракции. Каждый порядок дифракции будет продолжать распространяться в разных направлениях, включая дифракцию на отражение (R0, R ± 1, R ± 2,…) и пропускающую дифракцию (T0, T ± 1, T ± 2,…). Угол дифракции каждого порядка (θm, m\u003d ± 1, ± 2,…) определяется углом падения (θ) и периодом (Λ) решетки. Путем проектирования других параметров решетки (таких как показатель преломления n, геометрия, толщина, и коэффициент заполнения) мы можем оптимизировать до тех пор, пока определенный порядок дифракции не будет иметь наибольшую эффективность, чей угол/направление дифракции является наиболее желательным для нас. Другими словами, мы можем манипулировать поступающим светом, чтобы повернуть его в нужное нам направление. Таким образом, он эквивалентен обычным оптическим элементам с точки зрения изменения направления распространения света. Но манипулирование светом осуществляется микро/наноструктурами на плоской поверхности, которая экономит много места и обладает большей гибкостью по сравнению с обычными оптическими элементами. Чтобы дифрагированный свет распространялся внутри волновода, угол дифракции должен удовлетворять условие полного внутреннего отражения (TIR), которое обсуждалось в предыдущей статье.

Помимо разделения света на несколько порядков существует ещё и дисперсия цвета. Это означает, что для одного и того же периода решетки разные длины волн будут иметь разный угол дифракции (θm). На рисунке 2 предполагается, что падающий свет теперь представляет собой «белый свет», включающий в себя диапазон видимых длин волн, тогда более длинная волна будет иметь больший угол дифракции. В результате красный цвет «сгибается» больше, чем зеленый и синий. Точно так же это расщепление света происходит как при отражательной дифракции, так и при пропускании рассеяния.

Не кажется ли вам это явление знакомым? Наверняка все мы в детстве играли с какой-то призматической линзой, которая точно так же разбивала солнечный свет на «радугу». Цветовая дисперсия призмы отличается от дифракционной решетки, которая основана на эффекте преломления света вместо дифракции. На рисунке 2.с сравниваются эффекты разбиения света дифракционной решеткой и призматической линзой, из которых видно, что дифракционная решетка усложняется, когда каждый порядок дифракции имеет цветовую дисперсию.

Демонстрация эффекта «расщепления» света из-за дисперсии цвета и множественных порядков дифракции
Рисунок 2. Демонстрация эффекта «расщепления» света из-за дисперсии цвета и множественных порядков дифракции на (а) рельефной решетке поверхности и (b) голографической объемной решетке и (c) в сравнении с призматической линзой.

(1) Механизм дифракционного волновода

Изучив принцип работы дифракционной решетки, давайте посмотрим, как она работает в оптическом волноводе.

В первой части этой статьи упоминается, что геометрический волновод использует матрицу отражающих зеркал для реализации одномерного расширения выходного зрачка (1D EPE). Если мы применим эту концепцию на дифракционном волноводе, как показано на рис. 3.а, мы сможем использовать входящую решетку для подачи света в волновод, а затем заменять зеркальную решетку исходящей решеткой для вывода света из волновода. Хотя оптические световые лучи блуждают, как змея, внутри волновода, каждый раз, когда они сталкивается с исходящей решеткой на стеклянной поверхности, часть света будет рассеиваться из волновода и попадать на наши глаза. Остальные световые лучи будут продолжать распространяться внутри волновода, пока снова не отскочат от поверхности стекла. Таким образом, 1D EPE реализован аналогично как и геометрический волновод.

Однако мы не удовлетворены ограничением расширения зрачка в горизонтальном направлении (по прямой X вдоль межзрачкового расстояния). Если мы используем высокую гибкость дифракционной оптики, то почему мы не можем расширить зрачок также по вертикали (по прямой Y вдоль переносицы)? Таким образом, AR-очки могут не только подходить пользователям с большим межзрачковым расстоянием, но также могут обеспечить большую совместимость для пользователей с различными формами лица и длиной носа.

Концепция использования трёхобластной решетки для двумерного расширения исходящего зрачка (2D EPE) была предложена более десяти лет назад доктором Тапани Леволой, ешё тогда работающим в Nokia. Затем IP-адрес был приобретен или лицензирован Microsoft и Vuzix соответственно, которые используют модель, аналогичную базовой в своих проектах. Как показано на рисунке 3.b, представитель VHG-компании Digilens также использует структуру с тремя решетками для реализации 2D EPE. Мы можем видеть, что после того, как свет попадает на волновод через входную решетку, он сталкивается со сгибом решетки. Чтобы упростить объяснение, давайте предположим, что этот угол составляет 45 градусов и отбивает входящий свет по X на 90 градусов в направлении Y. Во время этого процесса свет будет взаимодействовать со сгибом решетки несколько и каждый раз, когда часть света поворачивается на 90 градусов, оставшаяся часть продолжает распространяться в направлении X. Это похоже на 1D EPE, показанном на рисунке 3.а. Но, с другой стороны, 1D-свет продолжает сталкиваться с третьей решеточной областью – исходящей решеткой, вместо того, чтобы сразу выходить из волновода. Структура исходящей решетки аналогична входящей, хотя имеет бОльшую площадью и направление периодичности, перпендикулярное к входящей решетке. В исходящей решетке каждый луч 1D-света подвергается аналогичному процессу в направлении по Y. Если мы предположим, что один входящий зрачок расширяется на сгибе решетки в ​​массив из 1хM зрачков после 1D EPE в направлении X, то в исходящей решетке они расширяются в направлении Y в матрицу NхM выходных зрачков. М и N – это количество витков TIR внутри сгиба решетки. Использование сгиба решетки для 2D EPE применяется большинством основных продуктов на рынке. Конкретная площадь решетки, геометрия и расположение могут гибко регулироваться в соответствии со спецификацией продукта.

Другой подход к реализации 2D EPE заключается в прямом использовании двумерной решетки, периодичность которой находится в направлениях X и Y. Проще говоря, решётчатые «впадины» теперь становятся «горами». Британская компания WaveOptics использует двухмерную решетчатую структуру, которая сочетает в себе функциональность предыдущих поворотной и исходящей решеток. Как показано на рис. 3.с, свет, попадающий на волновод через входящую решетку (зона 1), напрямую попадает в зону 3, где двухмерные решетчатые стойки могут одновременно расширять зрачок по направлениям X и Y, одновременно выпуская весь свет на глаза пользователя. Очевидно, что одной решётки недостаточно, что бы справиться со всеми этими задачами, балансируя между исходящей яркостью и равномерностью среди всех исходящих зрачков. Несмотря на сложности при проектировании, вместо трёх теперь есть только две решетки, что может снизить потерю света при его транспортировке. Поскольку у нас нет сгиба решетки, исходящая решетка может занять больше места, чтобы увеличить размер окуляра. Размер окуляра 40-градусного модуля FOV WaveOptics может достигать 19х15мм^2, что является самым большим показателем среди всех аналогов.

Устройство волновода. Расширение исходящего зрачка (EPE) в дифракционной решетке
Рисунок 3. Расширение исходящего зрачка (EPE) в дифракционной решетке: (a) – Одномерная иллюстрация EPE; (b) –Двумерная EPE с использованием сгиба решетки; (с) – двумерная EPE с использованием двумерной решетки.

(2) Плюсы и минусы дифракционного волновода

Основное преимущество дифракционного волновода перед геометрическим заключается в гибкости его конструкции и решетки. Независимо от того, используется ли SRG с использованием традиционных методов полупроводникового микро/нано производства или VHG, выполненного с помощью лазерной интерференционной голографической технологии, все процессы изготовления происходят на осажденной тонкой пленке поверх стеклянной волноводной подложки. Процесс не включает в себя традиционные процессы формования, резки и склеивания в геометрическом волноводе.

Кроме того, двумерное расширение исходящего зрачка с использованием либо поворотной, либо двумерной решетки обеспечивает больший охват пользователей в плане топологии лица и высоты переносицы. В геометрическом волноводе каждое из трансфлективных зеркал покрыто десятками слоев специального покрытия, чтобы генерировать различное отношение отражения/пропускания, чтобы гарантировать однородность исходящего света по всему окуляру. Для дифракционной решетки это соотношение может контролироваться такими её параметрами, как рабочий цикл или геометрия, которые можно легко записать в маске литографии или голографии и «напечатать» на тонкой пленке решетки.

Однако у дифракционной решетки также есть свои проблемы в основном из-за того, что она очень чувствительна и избирательна к углу падения и длине входящей волны, что было объяснено на рисунке 2. Прежде всего, необходимо оптимизировать структуру решетки так, чтобы в определенном порядке мы получали больше света, а в других порядках он бы подавлялся. Принимая входящую решетку в структуре SRG в качестве примера, геометрически симметричная прямоугольная решетка, показанная на рисунке 3.а, дифрагирует на +1 и -1 порядки равномерно, из которых только одна часть света в конечном итоге направляется к глазу пользователя. Поэтому в большинстве случаев используется наклонная решетка, показанная на рисунке 1.b. Её сложнее изготовить по сравнению с бинарной решетчатой ​​структурой.

Затем нам нужно разобраться с проблемой дисперсии цвета, как упоминалось на рисунке 2, для которой одна и та же дифракционная решетка перенаправляет волны различной длины в разные стороны. Свет от оптического механизма состоит из RGB, причем каждый цвет охватывает диапазон длин волн. Когда они подключены к волноводу посредством дифракции входящей решетки, как показано на рисунке 4.а, если целью оптимизации является дифракция пропускания +1-го порядка, то есть T + 1, то для разных длин волн угол дифракции θ + 1T будет другим, в связи с разницей в этом угле дифракции длина каждой волны туда-обратно будет разной. Красный цвет будет иметь меньше отказов TYR внутри волновода, чем зеленый и синий цвета, имеющими наибольшее количество отражений. Из-за этой разницы синий цвет будет выделен 3 раза, зеленый дважды, а красный только один раз. Несмотря на неоднородность цвета по всему окуляру, эффективность дифракции на одной длине волны также изменяется в зависимости от угла падения света, что приводит к неравномерности цвета по всему полю, так называемом «эффекте радуги».
Чтобы смягчить проблему дисперсии цвета, наиболее распространенным подходом является использование трех слоев волноводов для полос красного, зеленого и синего цветов соответственно, каждый слой будет иметь свои собственные параметры решетки, оптимизированные только для него. Это уменьшает неравномерность цвета по всему окуляру. Однако каждая из цветовых полос RGB включает в себя несколько длин волн, а не одну, поэтому неоднородность цвета может быть улучшена только по сравнению с оптимизацией, а не полностью отменена. В недавно анонсированных Hololens II заменили светодиодный источник света на лазерный с гораздо более узкой полосой пропускания, что потенциально может уменьшить эффект «радуги» и увеличить поле зрения. Стоит отметить, что у основных продукты два слоя волноводов, а не три, для изготовления более тонких стекол. Некоторые компании изобрели новые структуры решеток, чтобы объединить все цвета RGB в один слой. Одним из примеров является компания Dispelix, расположенная в Финляндии, которая продемонстрировала поле зрение в 30 градусов.

Подводя итог, можно сказать, что физика оптической дифракции приводит к сильной избирательности угла падения света и длины волны, в основном выраженной в неоднородности цвета по всему полю и глазному яблоку. В процессе оптимизации конструкции решетки трудно найти баланс между длиной волны и допуском угла падения. Поэтому в этой отрасли является общей задачей и целью использовать один тонкий слой волновода, чтобы получать все цвета RGB при как можно большем полем зрения.

Рисунок 4. Проблема дисперсии цвета в дифракционном волноводе: (a) – Один слой волновода и дифракционная решетка вызывают неравномерность по всему окуляру, (b) – Несколько слоёв волноводов с отдельными решетками улучшают однородность цвета по всему окуляру.

(3) Категории дифракционного волновода

В настоящее время поверхностная рельефная решетка (SRG) доминирует на рынке AR-стекла. Расчетный барьер у неё выше, чем у традиционной оптики, в основном из-за необходимости новых инструментов моделирования. Процесс изготовления начинается с микро/нано производства, используемого в традиционной индустрии полупроводниковой микроэлектроники, где электронно-лучевая литография (EBL) и ионно-лучевое стравление создают кремниевый мастер-штамп. Затем мастер-штамп используется для «печати» сотен или тысяч экземпляров с помощью наноимпринтной литографии (NIL). Стеклянная подложка (волновод) сначала покрывается тонким слоем смолы, а затем отправляется в машину NIL, где рисунок решетки переносится с кремниевого мастер-штампа на смолу. Теперь нам нужно использовать либо ультрафиолетовый свет, либо другие методы отверждения печатной смолы, прежде чем поднимать мастер-штамп, оставляя дифракционные решетки на поверхности волновода. Этот полимерный материал должен иметь высокую прозрачность в видимом диапазоне длин волн и такой же показатель преломления, как и у используемой стеклянной подложки. Технологичность и возможности массового производства уже были продемонстрированы Microsoft, Vuzix и Magic Leap.

Компаний, работающих над объемной голографической решеткой (VHG) для AR-очков не так уж и много. В их число входят Digilens, который начал делать AR-шлемы для военных более десяти лет назад, и Sony, у которой до сих пор был только монохромный продукт, а также таинственная Akonia, приобретенная Apple. Есть еще много компаний, работающих над индивидуальным дизайном и изготовлением объемных решеток. Насколько мне известно, все они используют фотополимер или жидкие кристаллы или вообще их смесь. Процесс изготовления также начинается с нанесения тонкого слоя смолы на стеклянную подложку с последующим использованием специальных рисунков, генерируемых двумя лазерными лучами, для выполнения экспонирования. Яркие и темные полосы будут вызывать различные уровни воздействия внутри тонкой пленки, создавая контраст показателя преломления Δn. Производительность объемной решетки ограничена доступными материалами, что в свою очередь ограничивает поле зрения, дифракционную эффективность, резкость и т.д.

Заключение

Что бы упростить сравнение всех волноводов, проведённое выше и в первой части этой статьи, вот вам таблица:

Сравнение технологий

Геометрический волновод основан на традиционном оптическом проектировании и изготовлении, в котором реализовано одномерное расширение исходящего зрачка, чтобы обеспечить больший диапазон расстояния. Представителем является израильская компания Lumus, которая продемонстрировала поле зрения в 55° с превосходным качеством изображения. К сожалению, процесс изготовления очень сложен, что может привести к низкой общей производительности. На рынке еще не было продукта потребительского качества, поэтому возможность массового производства пока не обсуждается.

Дифракционный волновод выигрывает от прогресса в микро/нано структурах и плоской оптике, которые могут реализовывать двумерное расширение исходящего зрачка. Основные продукты, представленные на рынке, используют структуру поверхностной рельефной решетки, технологичность которой была подтверждена продуктами потребительского класса в Hololens II с полем зрения в 52°. Другой тип – объёмная голографическая решетка, развивающаяся параллельно. Если в области материаловедения произойдет прорыв, связанный с увеличением контраста показателя преломления для повышения оптических параметров, потенциал массового производства может быть очень даже ничего. Таким образом считается, что на сегодняшний день дифракционный волновод, с поверхностной рельефной решеткой в ​​качестве дифракционных элементов, является лучшим выбором для AR-очков, чтобы выйти на потребительский рынок.

Однако высокие конструкторские и производственные барьеры, а также такие фундаментальные проблемы, как эффект «радуги», делают идеальную пару пригодных для ношения AR-очков пока что не реализуемой.

Оригинал статьи.

Читайте так же: Добро пожаловать в Display.land: 3D-модель мира

Добро пожаловать в Display.land: 3D-модель мира

Чтобы не пропустить ничего нового из мира AR/VR, читайте нас в Telegram.