Augmented reality (AR), virtual reality (VR) en mixed reality (MR) hebben de perceptuele horizon verruimd en diepere mens-digitale interacties ingeluid die de grenzen van traditionele platte beeldschermen overstijgen.

Deze evolutie heeft een rijk van opwindende nieuwe mogelijkheden ontsloten, waaronder het metaverse, digitale tweelingen en ruimtelijke informatica, die allemaal wijdverspreide toepassingen hebben gevonden op diverse gebieden zoals slim onderwijs en training, gezondheidszorg, navigatie, gaming, entertainment en slimme productie. .

Om AR-, VR- en MR-displays voor langere tijd echt draagbaar te maken, is er een dringende behoefte aan een compacte en stijlvolle vormfactor, een laag gewicht en een laag stroomverbruik. Vergeleken met Fresnel-lenzen en refractieve lenzen zijn op polarisatie gebaseerde gevouwen optica, ook wel pancake-optica genoemd, de afgelopen jaren uitgegroeid tot een cruciale doorbraak voor compacte en lichtgewicht VR-headsets, waaronder Apple Vision Pro en Meta Quest 3.

Deze pancake-optiek vermindert het volume van een VR-scherm aanzienlijk, wat op zijn beurt het zwaartepunt van de headset verbetert. De toegepaste halve spiegel veroorzaakt echter aanzienlijk optisch verlies, waardoor het maximale rendement beperkt blijft tot 25%. Daarom werken onderzoekers aan een nieuwe optische structuur met hetzelfde vouwvermogen als de pancake-lens, maar zonder het optische verlies.

De auteurs van een nieuw artikel gepubliceerd in Opto-Electronic Advances hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar lichtmotoren, beeldoptica en het energieverbruik van AR-, VR- en MR-schermen. In dit artikel wordt een baanbrekend optisch systeem voorgesteld om het volume van VR- en MR-schermen te verminderen, terwijl de efficiëntie hoog blijft.

De motivatie achter dit onderzoek is de toenemende vraag naar draagbare VR/MR-headsets die niet alleen visueel indrukwekkend zijn, maar ook comfortabel voor langdurig gebruik. Huidige VR-headsets met conventionele pancake-optiek worden geconfronteerd met uitdagingen zoals een lage optische efficiëntie, wat op zijn beurt leidt tot een verhoogd thermisch effect van de headset en een korte levensduur van de batterij als gevolg van het enorme optische verlies dat wordt veroorzaakt door de halve spiegel.

Zoals weergegeven in figuur 1 (a – b) bereikt slechts ongeveer 25% van het licht (ervan uitgaande dat er geen ander verlies is) van het weergavepaneel het oog van de waarnemer. Als het microdisplay echter ongepolariseerd licht uitzendt, wordt de maximale optische efficiëntie verder verlaagd tot 12,5%. Het ongebruikte licht wordt geabsorbeerd door de headset, wat het thermische effect zou vergroten, of wordt strooilicht, wat de beeldkwaliteit zou verslechteren.

Het nieuwe pancake-optieksysteem gaat deze uitdaging aan door een theoretisch verliesvrij ontwerp te introduceren, met een niet-reciproque polarisatierotator, ook bekend als Faraday-rotator, tussen reflecterende polarisatoren, zoals weergegeven in figuur 1 (c – d). In een dergelijk ontwerp speelt de niet-reciproke polarisatierotator een cruciale rol bij het vouwen van de optische paden.

Vergeleken met de reciproke polarisatierotator (bijvoorbeeld halve-golfplaten), roteert de niet-reciproque polarisatierotator het lineair gepolariseerde licht, ongeacht de voortplantingsrichting van de optische golf, zoals figuur 2 weergeeft. Bijgevolg resulteert een rondreis van voorwaartse en achterwaartse voortplanting door de niet-reciproke polarisatierotator in een netto rotatie van 2θ.

Voorlopige experimenten werden uitgevoerd met een laserbron en een micro-OLED-paneel om de optische efficiëntie en het vouwvermogen ervan te verifiëren, zoals weergegeven in respectievelijk figuur 3 (a) en (b – c). De gemeten optische efficiëntie ligt rond de 71,5% vanwege het ontbreken van een antireflectiecoating (AR) en de niet-ideale prestaties van de gebruikte reflecterende polarisatoren.

Na het gebruik van hoogwaardige reflecterende polarisatoren en AR-coating is de optische efficiëntie verbeterd tot 93,2%, wat de theoretische voorspelling benadert. Bovendien worden vier soorten mogelijke spookbeelden geanalyseerd in dit nieuwe optische systeem. Door de hoofdoorzaak van deze spookbeelden te identificeren, worden nieuwe methoden voorgesteld om de beeldcontrastverhouding te verbeteren. Bovendien wordt een meerlaagse structuur voorgesteld om de bandbreedte van de Faraday-rotator te verbreden en kleurendisplays mogelijk te maken.

Zoals aangegeven in figuur 3 (d – f) zijn drie reeksen niet-reciproke polarisatierotators en kwartgolfplaten voldoende om een ​​spectrale breedbandrespons te bereiken. Ten slotte worden, om een ​​groot gezichtsveld en een echt compacte vormfactor te bereiken, enkele mogelijke kandidaten van dunne-film magneto-optisch materiaal geanalyseerd en besproken in het artikel.

Over het geheel genomen demonstreren deze demonstraties het potentieel dat een dergelijk nieuw pancake-optieksysteem een ​​revolutie teweeg zou kunnen brengen in de volgende generatie VR- en MR-beeldschermen met een lichtgewicht, compacte vormfactor en een laag stroomverbruik. De dringende behoefte aan een dunnefilmrotator van Faraday die zowel magneetvrij als zeer transparant is en tegelijkertijd een grote Verdet-constante in het zichtbare gebied bezit, zal naar verwachting de volgende ronde van magneto-optische materiaalontwikkeling in de toekomst inspireren. P>

Meer informatie: Yuqiang Ding et al., De optische efficiëntielimiet van virtuele realiteit doorbreken met een niet-wederkerige polarisatierotator, Opto-elektronische vooruitgang (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230178

Aangeboden door Compuscript Ltd