De afgelopen decennia is augmented reality (AR) geëvolueerd van een futuristisch concept naar een tastbare en alomtegenwoordige technologie. AR verbetert onze perceptie van en interactie met de omgeving door geprojecteerde virtuele inhoud naadloos te combineren met scènes uit de echte wereld. Op golfgeleiders gebaseerde AR-displays zijn naar voren gekomen en ontwikkeld als een kritische technologie voor draagbare AR-systemen, waardoor ze licht van gewicht zijn en een slanke vormfactor hebben, terwijl ze toch hoge optische prestaties behouden.

Waveguide-combiners zijn cruciale componenten van op waveguides gebaseerde AR-displays. Ze fungeren als lichtgeleiders om het optische pad te vouwen en de helderheid van een kleine lichtbron over een uitgestrekt gebied te repliceren. Dit wordt bereikt door een proces genaamd exit pupil expansie (EPE), dat het proces weerspiegelt van het repliceren van een enkele binnenkomende straal in talloze stralen, elk met een gelijke intensiteit.

In een nieuw artikel gepubliceerd in eLight heeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Shin-Tson Wu van de University of Central Florida en professor Haowen Liang van de Sun Yat-sen University de ontwikkeling van golfgeleidercombineerders voor augmented reality-displays beoordeeld.

Er zijn verschillende soorten golfgeleidercombineerders, elk met zijn eigen voor- en nadelen. De meest voorkomende stijlen zijn geometrische golfgeleider-combineerders, diffractieve golfgeleider-combineerders en holografische golfgeleider-combineerders.

Geometrische golfgeleidercombineerders zijn het eenvoudigste type, maar ze kunnen omvangrijk zijn en een beperkt gezichtsveld hebben. Diffractieve golfgeleidercombineerders zijn complexer te vervaardigen, maar kunnen dunner zijn en een breder gezichtsveld hebben. Holografische golfgeleidercombineerders zijn van het meest geavanceerde type en zijn duur om te vervaardigen.

Waveguide-combiners worden doorgaans gebruikt met lichtmotoren om op golfgeleiders gebaseerde AR-displays te creëren. Lichtmotoren zijn de componenten die het licht genereren dat in de golfgeleider wordt geïnjecteerd. Enkele van de meest voorkomende soorten microdisplay-lichtmotoren zijn onder meer vloeibare kristallen op silicium, micro-LED, micro-OLED, laserstraalscan en MEMS.

Het ontwerp van golfgeleidercombinatoren is een uitdagende taak. Ontwerpers moeten rekening houden met verschillende factoren, zoals optische prestaties, maakbaarheid en kosten. Enkele belangrijke uitdagingen bij het ontwerp van golfgeleidercombinatoren zijn onder meer het ontwerp van het EPE-schema, de uitbreiding van het gezichtsveld, het ontwerp van de frontgeometrie van koppelingen, kleurendisplays, optische efficiëntie en optimalisatie van de uniformiteit.

De Waveguide-combinertechnologie bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling, maar heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in AR-displays. Ontwerpers werken eraan om de huidige uitdagingen te overwinnen en nieuwe golfgeleidercombineerders te ontwikkelen die efficiënter, betaalbaarder en eenvoudiger te vervaardigen zijn.

Geometrische golfgeleidercombineerders bieden een potentieel groot gezichtsveld (FoV), goede uniformiteit, verwaarloosbare ooggloed en hoge efficiëntie, maar ze hebben een ingewikkelder fabricageproces en een laag rendement. Diffractieve golfgeleidercombineerders hebben een relatief laag rendement en een kleiner gezichtsveld, en ze hebben ook last van andere problemen, zoals niet-uniforme kleuren, ooggloed en regenboogeffect.

Het verbeteren van de diffractieve golfgeleiderefficiëntie met behoud van een goede uniformiteit is een cruciale uitdaging. Vooruitgang in EPE-ontwerpen, fabricagemethoden en materiaalprestaties van diffractieve koppelingen zouden diffractieve golfgeleidercombineerders kunnen verbeteren om te passen bij geometrische golfgeleidercombineerders.

De huidige brekingsindexmodulatie van VHG's (volume holografische roosters) is echter onvoldoende om de FoV uit te breiden tot voorbij 50°, en goedkope, hoogwaardige productieprocessen voor SRG's (oppervlaktereliëfroosters) zijn nodig.

PVG's (polarisatievolumeroosters), een nieuwe diffractieve koppeling, bieden dynamische modulatiemogelijkheden, waardoor de functionaliteit van op golfgeleiders gebaseerde AR-displays wordt uitgebreid.

Op Metasurface gebaseerde koppelingen bieden uitgebreide ontwerpvrijheid, waardoor nieuwe functionaliteiten zoals achromatische kenmerken mogelijk worden. Verwacht wordt dat verdere vooruitgang op het gebied van apparaattechniek en productieprocessen de prestaties van PVG's en op metasurface gebaseerde koppelingen voor AR-displays zal verbeteren.

Meer informatie: Yuqian Ding et al, op Waveguide gebaseerde augmented reality-displays:perspectieven en uitdagingen, eLight (2023). DOI:10.1186/s43593-023-00057-z

Journaalinformatie: eLight

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen