Análisis de la guía de onda de carburo de silicio AR, desde la perspectiva del diseño de la guía de onda
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Los avances en materiales a menudo llevan a una industria a nuevas alturas e incluso abren un nuevo espacio científico y tecnológico para la humanidad.
El nacimiento del silicio lanzó toda la era de semiconductores y computación, convirtiéndose en la base de la vida basada en silicio.
Entonces, ¿la aparición del carburo de silicio llevará a las guías de onda AR a nuevas alturas?
Veamos primero el diseño de la guía de ondas.
Sólo entendiendo los requisitos a nivel del sistema podemos aclarar la dirección de la optimización de materiales.
La arquitectura más clásica de las guías de onda AR proviene del ex Hololens Dr. Tapani Levola de Finlandia, y las guías de onda se dividen en tres regiones: la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada, la región de la pupila de entrada y la región de la pupila de entrada.la región de la pupila dilatada, y la región de la pupila de salida.
La AR guía esta pieza, los finlandeses son la fuerza motriz absoluta.
Desde el primer Nokia, hasta los Hololens, hasta el Dispelix posterior y así sucesivamente.
(La patente clásica de Tapani para la guía de onda difraccionada AR, presentada en Nokia en 2002, tiene 23 años)
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La región de la pupila de entrada del guía de ondas acopla toda la FOV de la máquina óptica a través de la rejilla en el sustrato, que puede ser vidrio, material de carburo de silicio o incluso material de resina.
Su principio de funcionamiento es similar a la transmisión de fibra óptica, cuando el ángulo de incidencia cumple la condición de reflexión total,la luz se unirá en la base y se transmitirá al área de agrandamiento de la pupila a través de la reflexión total.
En la región de la pupila dilatada, la luz se replica en la dirección X y continúa hasta la región de la pupila de salida.
En la región de la pupila de salida, la luz se copia en la dirección Y y finalmente se acopla al ojo humano.
Si la pupila de salida de la máquina óptica (es decir, la pupila de entrada del guía de ondas) se compara con un "pastel redondo",entonces la esencia de la guía de onda AR es copiar este "pastel" de la máquina óptica en múltiples, como el 4x4, en la región de la pupila de salida.
Idealmente, se espera que estos "pastellitos" se superpongan entre sí para formar una superficie lisa y uniforme de brillo y color, de modo que el usuario vea la misma imagen en cualquier lugar de esta superficie (alta uniformidad).
El diseño de la guía de onda AR debe considerar primero los requisitos de FOV, que determina el tamaño de la imagen que ve el usuario, y también afecta a los requisitos de diseño de la máquina óptica.
El segundo es el requisito de la Eyebox, que determina si el usuario puede ver la imagen completa dentro del rango de movimientos oculares, lo que afecta la comodidad.
Por último, hay otros indicadores, como la uniformidad de brillo, la uniformidad de color y la MTF.
Resuma el flujo del diseño de la guía de onda AR:
Determinar el FOV y el Eyebox, seleccionar la arquitectura de la guía de ondas, establecer variables de optimización y funciones objetivo, y luego realizar ajustes de optimización continuos.
¿Qué tiene que ver esto con el carburo de silicio?
El diagrama más importante en el diseño de guías de onda es el diagrama vectorial de onda k-vector.
En términos simples, la luz incidente (a una longitud de onda y ángulo específicos) se puede representar como un vector.
El cuadro cuadrado en el centro representa el tamaño de FOV de la imagen incidente, y el área del anillo representa el rango de FOV que el material de guía de ondas de ese índice de refracción puede soportar,más allá del cual no puede existir luz en la guía de ondas.
Cuanto mayor sea el índice de refracción del material base, mayor será el círculo del anillo más externo y mayor será el FOV que puede soportarse.
Cada vez que se toca la rejilla, se superpone un vector adicional sobre la luz entrante.La magnitud del vector superpuesto de la rejilla está relacionada con la longitud de onda de la luz incidente.
Por lo tanto, la luz de diferentes colores acoplada a la rejilla saltará a diferentes posiciones en el anillo (dentro de la guía de ondas) debido a diferentes vectores de trama.
Por lo tanto, un solo chip para lograr RGB de tres colores, puede soportar mucho menos FOV que monocromático.
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Para lograr un FOV grande, no hay una sola manera de aumentar el índice de refracción de la base, hay al menos dos formas de elegir.
Por ejemplo, se puede hacer a través del empalme de FOV, como la arquitectura clásica de mariposa de Hololens.
La rejilla en la región de entrada corta el FOV incidente a la mitad, lo transmite desde los lados izquierdo y derecho a la región de la pupila dilatada y lo empalma en la región de la pupila de salida.
De esta manera, incluso con materiales con bajo índice de refracción, se puede lograr un FOV grande.
Con esta arquitectura, Hololens 2 alcanza un FOV de más de 50 grados basado en un sustrato de vidrio con un índice de refracción inferior a 1.8.
(FOV Spliced waveguide Classic patentada por Microsoft Hololens2 en el año 2016)
También es posible lograr un FOV muy grande a través de algún diseño arquitectónico de raster bidimensional, que implica muchos detalles y es inconveniente de ampliar.
Desde el punto de vista de FOV, cuanto mayor sea el índice de refracción de la base, mayor será el límite superior del sistema.
Desde este punto de vista, el carburo de silicio proporciona un techo más alto para el sistema.
Como diseñador de guías de ondas, me gusta mucho el carburo de silicio porque me da suficiente libertad para diseñar.
Pero desde la perspectiva del usuario, no importa qué base usar.
Mientras pueda satisfacer la demanda, buen rendimiento, bajo precio y máquina ligera, es una buena opción.
Por lo tanto, el equipo de productos debe considerar exhaustivamente la elección del carburo de silicio u otros sustratos.
Debe considerarse de acuerdo con el escenario de aplicación, el posicionamiento de los precios, las especificaciones de diseño, la madurez de la cadena industrial y otros aspectos.
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En resumen:
1Si se considera puramente desde el punto de vista del FOV, el vidrio de alto índice de refracción actual alcanza un FOV de 50 grados sin presión.
2. pero si quieres lograr más de 60 grados de FOV, el carburo de silicio es de hecho una buena opción.
Los materiales son una elección a nivel de componentes y arquitectura, y la arquitectura a su vez sirve a la función del sistema, y en última instancia, a través del producto, para servir al usuario.
Este es un proceso de compensación, necesitamos elegir entre múltiples dimensiones como la experiencia de escena, la forma del producto, la arquitectura del sistema, los componentes y los materiales.
Se aplicará el método siguiente:
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