Επανάσταση στις οθόνες VR και MR επόμενης γενιάς με ένα νέο σύστημα οπτικών τηγανιτών

Η επαυξημένη πραγματικότητα (AR), η εικονική πραγματικότητα (VR) και η μικτή πραγματικότητα (MR) έχουν διευρύνει τους αντιληπτικούς ορίζοντες και έχουν εισαγάγει βαθύτερες αλληλεπιδράσεις ανθρώπου-ψηφίου που ξεπερνούν τα όρια των παραδοσιακών επίπεδων οθονών.

Αυτή η εξέλιξη έχει ξεκλειδώσει μια σφαίρα συναρπαστικών νέων δυνατοτήτων, που περιλαμβάνει το μετασύμπαντο, τα ψηφιακά δίδυμα και τους χωρικούς υπολογιστές, τα οποία έχουν βρει ευρέως διαδεδομένες εφαρμογές σε διάφορους τομείς όπως η έξυπνη εκπαίδευση και κατάρτιση, η υγειονομική περίθαλψη, η πλοήγηση, τα παιχνίδια, η ψυχαγωγία και η έξυπνη κατασκευή .

Προκειμένου οι οθόνες AR, VR και MR να γίνονται πραγματικά φορητές για μεγάλο χρονικό διάστημα, υπάρχει επιτακτική ανάγκη για συμπαγή και κομψή μορφή, χαμηλό βάρος και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Σε σύγκριση με τους φακούς Fresnel και τους διαθλαστικούς φακούς, τα αναδιπλωμένα οπτικά με βάση την πόλωση, τα οποία συχνά αναφέρονται ως οπτικά pancake, έχουν αναδειχθεί ως μια σημαντική ανακάλυψη για συμπαγή και ελαφριά ακουστικά VR τα τελευταία χρόνια, συμπεριλαμβανομένων των Apple Vision Pro και Meta Quest 3.

Αυτά τα οπτικά τηγανίτες μειώνουν σημαντικά την ένταση ενός VR απεικόνιση, το οποίο με τη σειρά του βελτιώνει το κέντρο βάρους για τα ακουστικά. Ωστόσο, το χρησιμοποιούμενο μισό κάτοπτρο προκαλεί σημαντική οπτική απώλεια, η οποία περιορίζει το μέγιστη αποτελεσματικότητα στο 25%. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές εργάζονται για μια νέα οπτική δομή με την ίδια ικανότητα αναδίπλωσης όπως ο φακός της τηγανίτας, αλλά χωρίς την οπτική απώλεια.

Οι συγγραφείς του α νέο άρθρο δημοσιευτηκε σε Opto-Electronic Advances έχουν εξερευνήσει εκτενώς τους ελαφρούς κινητήρες, την οπτική απεικόνιση και την κατανάλωση ενέργειας των οθονών AR, VR και MR. Αυτό το άρθρο προτείνει ένα σύστημα οπτικών τηγανιτών που αλλάζει το παιχνίδι για τη μείωση του όγκου των οθονών VR και MR, διατηρώντας παράλληλα υψηλή απόδοση.

Το κίνητρο πίσω από αυτήν την έρευνα είναι η αυξανόμενη ζήτηση για φορητά ακουστικά VR/MR που δεν είναι μόνο οπτικά εντυπωσιακά αλλά και άνετα για εκτεταμένη χρήση. Τα σημερινά ακουστικά VR με συμβατικά οπτικά τηγανίτες αντιμετωπίζουν προκλήσεις όπως η χαμηλή οπτική απόδοση, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε αυξημένη θερμική επίδραση των ακουστικών και μικρή διάρκεια ζωής της μπαταρίας λόγω της τεράστιας οπτικής απώλειας που προκαλείται από τον μισό καθρέφτη.

Όπως απεικονίζεται στην Εικ. 1 (a–b), μόνο περίπου το 25% του φωτός (υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει άλλη απώλεια) από το πλαίσιο της οθόνης φτάνει στο μάτι του παρατηρητή. Ωστόσο, εάν η μικροοθόνη εκπέμπει μη πολωμένο φως, τότε η μέγιστη οπτική απόδοση μειώνεται περαιτέρω στο 12,5%. Το αχρησιμοποίητο φως είτε θα απορροφηθεί από το σετ μικροφώνου-ακουστικού, το οποίο θα αυξήσει το θερμικό αποτέλεσμα, είτε θα γίνει αδέσποτο φως, το οποίο θα υποβαθμίσει το ποιότητα εικόνας.

Το νέο σύστημα οπτικών τηγανιτών αντιμετωπίζει αυτήν την πρόκληση εισάγοντας έναν θεωρητικά σχεδιασμό χωρίς απώλειες, που ενσωματώνει έναν μη αμοιβαίο στροφέα πόλωσης, γνωστό και ως στροφέα Faraday, μεταξύ ανακλαστικών πολωτών όπως φαίνεται στο Σχ. 1 (c–d). Σε ένα τέτοιο σχέδιο, ο μη αμοιβαίος στροφέας πόλωσης παίζει κρίσιμο ρόλο στην αναδίπλωση των οπτικών διαδρομών.

Σε σύγκριση με τον στροφέα αμοιβαίας πόλωσης (π.χ. πλάκες μισού κύματος), ο στροφέας μη αμοιβαίας πόλωσης περιστρέφει το γραμμικά πολωμένο φως ανεξάρτητα από την κατεύθυνση διάδοσης του οπτικού κύματος όπως απεικονίζεται στο Σχ. 2. Κατά συνέπεια, μια κυκλική διαδρομή διάδοσης προς τα εμπρός και προς τα πίσω μέσω του στροφέα μη αμοιβαίας πόλωσης έχει ως αποτέλεσμα μια καθαρή περιστροφή 2θ.

Διεξήχθησαν προκαταρκτικά πειράματα με μια πηγή λέιζερ και ένα πάνελ micro-OLED για να επαληθευτεί η οπτική του απόδοση και η ικανότητα αναδίπλωσης, όπως απεικονίζεται στο Σχ. 3 (α) και (β-γ) αντίστοιχα. Η μετρούμενη οπτική απόδοση είναι περίπου 71,5% λόγω της έλλειψης αντιανακλαστικής επίστρωσης (AR) και της μη ιδανικής απόδοσης των χρησιμοποιούμενων ανακλαστικών πολωτών.

Μετά τη χρήση ανακλαστικών πολωτών υψηλής απόδοσης και επίστρωσης AR, η οπτική απόδοση βελτιώνεται στο 93,2%, που πλησιάζει τη θεωρητική πρόβλεψη. Επιπλέον, τέσσερις τύποι πιθανών εικόνων φαντασμάτων αναλύονται σε αυτό το νέο οπτικό σύστημα τηγανίτας. Μέσω του εντοπισμού της βασικής αιτίας αυτών των εικόνων φαντασμάτων, προτείνονται νέες μέθοδοι για τη βελτίωση της αναλογίας αντίθεσης της εικόνας. Επιπλέον, προτείνεται μια δομή πολλαπλών επιπέδων για τη διεύρυνση του εύρους ζώνης του στροφέα Faraday για να ενεργοποιηθούν οι έγχρωμες οθόνες.

Όπως υποδεικνύεται στην Εικ. 3 (d–f), τρεις ακολουθίες στροφέων μη αμοιβαίας πόλωσης και πλακών τετάρτου κύματος είναι επαρκείς για την επίτευξη φασματικής απόκρισης ευρείας ζώνης. Τέλος, για να επιτευχθεί μεγάλο οπτικό πεδίο και πραγματικά συμπαγής παράγοντας μορφής, αναλύονται και συζητούνται στο άρθρο μερικοί πιθανοί υποψήφιοι μαγνητοοπτικής υλικού λεπτής μεμβράνης.

Συνολικά, αυτές οι επιδείξεις δείχνουν τη δυνατότητα ότι ένα τέτοιο νέο σύστημα οπτικών τηγανιτών θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στις οθόνες VR και MR επόμενης γενιάς με ελαφρύ, συμπαγή μορφότυπο και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Η επιτακτική ανάγκη για έναν στροφέα Faraday λεπτής μεμβράνης που να είναι ταυτόχρονα απαλλαγμένος από μαγνήτες και εξαιρετικά διαφανής, ενώ διαθέτει μεγάλη σταθερά Verdet στην ορατή περιοχή, αναμένεται να εμπνεύσει την ανάπτυξη μαγνητο-οπτικού υλικού στον επόμενο γύρο στο μέλλον.