Исследователи разработали новый оптический компонент, который может значительно повысить яркость и качество изображения очков дополненной реальности (AR). Это достижение приближает AR-очки к тому, чтобы стать такими же распространёнными и полезными, как современные смартфоны.
«Многие современные гарнитуры AR громоздки, имеют короткое время работы от батареи, а их дисплеи тусклые, и их трудно разглядеть, особенно на улице», — сказал руководитель исследовательской группы Ник Вамивакас из Университета Рочестера. «Создав гораздо более эффективный входной порт для дисплея, наша работа может помочь сделать AR-очки намного ярче и энергоэффективнее, превратив их из нишевого гаджета в нечто лёгкое и удобное, как обычные очки».
В статье, опубликованной в журнале Optical Materials Express, исследователи описывают, как они заменили один волноводный соединитель — входной порт, через который изображение поступает в стекло, — на устройство с тремя специализированными зонами, каждая из которых изготовлена из материала метаповерхности, для достижения улучшенных характеристик.
«Мы сообщаем о первом экспериментальном доказательстве того, что эта сложная многозонная конструкция работает в реальном мире», — сказал Вамивакас. «Хотя мы сосредоточены на AR, эту высокоэффективную технологию селективного по углу ввода света можно также использовать в других компактных оптических системах, таких как проекционные дисплеи для автомобильных или аэрокосмических приложений, или в передовых оптических датчиках».
В AR-очках волноводный соединитель вводит изображения с микродисплея в линзы, так что виртуальный контент отображается поверх реального мира. Однако соединители, используемые в современных AR-очках, имеют тенденцию снижать яркость и чёткость изображения.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи использовали технологию метаповерхностей для создания соединителя с тремя специализированными зонами. Метаповерхности — это ультратонкие материалы с элементами, в тысячи раз меньшими, чем человеческий волос, что позволяет им изгибать, фокусировать или фильтровать свет так, как не могут традиционные линзы.
«Метаповерхности предлагают большую гибкость в проектировании и производстве, чем традиционная оптика», — сказал Вамивакас. «Эта работа по улучшению соединителя, являющегося основным источником потерь света, является частью более крупного проекта, направленного на использование метаповерхностей для проектирования всей волновой системы, включая входной порт, выходной порт и всю оптику, направляющую свет между ними».
Для нового соединителя исследователи разработали шаблоны метаповерхностей, которые эффективно улавливают входящий свет и значительно снижают количество света, просачивающегося обратно. Метаповерхности также сохраняют форму входящего света, что важно для поддержания высокого качества изображения.
Это исследование основано на более ранних теоретических работах исследователей, которые показали, что многозонный соединитель обеспечивает наилучшую эффективность и качество изображения. Вамивакас говорит, что достижения в области решёток метаповерхностей позволили создать три точно настроенные зоны, а современные методы изготовления, включая электронную литографию и атомно-слоевое осаждение, обеспечили необходимую точность для создания сложных наноструктур с высоким аспектным соотношением.
«Эта статья — первая, которая преодолевает разрыв от идеализированной теории к практическому компоненту реального мира», — сказал Вамивакас. «Мы также разработали процесс оптимизации, учитывающий такие реалистичные факторы, как потери материала и неоптимальные суммы эффективности, которые одна только теория не учитывала».
Чтобы продемонстрировать новый соединитель, исследователи изготовили и протестировали каждую из трёх зон метаповерхности по отдельности, используя специально созданную оптическую установку. Затем они протестировали полностью собранное трёхзонное устройство в качестве полной системы, используя аналогичную установку для измерения общей эффективности связи по всему горизонтальному полю зрения от -10° до 10°.
Измерения показали хорошее соответствие с моделированием по большей части поля зрения. Средняя измеренная эффективность по всему полю составила 30%, что близко соответствовало смоделированному среднему значению в 31%. Единственным исключением был самый край поля зрения, при -10°, где измеренная эффективность составила 17% по сравнению с моделируемым значением 25,3%. Исследователи объясняют это высокой угловой чувствительностью конструкции под этим углом, а также потенциальными незначительными несовершенствами изготовления.
Исследователи работают над тем, чтобы применить новый дизайн метаповерхности и оптимизационную схему к другим компонентам волновода, чтобы продемонстрировать полную высокоэффективную систему на основе метаповерхностей. Как только это будет сделано, они планируют расширить конструкцию с одного цвета (зелёного) до полноцветной (RGB) работы, а затем усовершенствовать конструкцию, чтобы повысить допуск к изготовлению и минимизировать падение эффективности на краю поля зрения.
Исследователи отмечают, что для того, чтобы эта технология стала достаточно практичной для коммерциализации, необходимо продемонстрировать полностью интегрированный прототип, сочетающий соединитель с реальным двигателем микродисплея и выходным соединителем. Также необходимо разработать надёжный, высокопроизводительный производственный процесс для тиражирования сложных наноструктур по низкой цене.
published in the journal Optical Materials Express, the researchers describe how they replaced a single waveguide in-coupler—the input port where the image enters the glass—with one featuring three specialized zones, each made of a metasurface material, to achieve improved performance.»,»\»We report the first experimental proof that this complex, multi-zone design works in the real world,\» said Vamivakas. \»While our focus is on AR, this high-efficiency, angle-selective light coupling technology could also be used in other compact optical systems, such as head-up displays for automotive or aerospace applications or in advanced optical sensors.\»»,»In AR glasses, the waveguide in-coupler injects images from a micro-display into the lenses so that virtual content appears overlaid with the real world. However, the in-couplers used in today’s AR glasses tend to reduce image brightness and clarity.»,»To overcome these problems, the researchers used metasurface technology to create an in-coupler with three specialized zones. Metasurfaces are ultra-thin materials patterned with features thousands of times smaller than a human hair, enabling them to bend, focus or filter light in ways conventional lenses cannot.»,»\»Metasurfaces offer greater design and manufacturing flexibility than traditional optics,\» said Vamivakas. \»This work to improve the in-coupler, a primary source of light loss, is part of a larger project aimed at using metasurfaces to design the entire waveguide system, including the input port, output port and all the optics that guide the light in between.\»»,»For the new in-coupler, the researchers designed metasurface patterns that efficiently catch incoming light and dramatically reduce how much light leaks back out. The metasurfaces also preserve the shape of the incoming light, which is essential for maintaining high image quality.»,»This research builds on earlier theoretical work by the investigators that showed a multi-zone in-coupler offered the best efficiency and image quality. Vamivakas says that advances in metasurface gratings enabled the design flexibility to create three precisely tailored zones while state-of-the-art fabrication methods—including electron-beam lithography and atomic layer deposition—provided the precision needed to build the complex, high-aspect-ratio nanostructures.»,»\»This paper is the first to bridge the gap from that idealized theory to a practical, real-world component,\» said Vamivakas. \»We also developed an optimization process that accounts for realistic factors like material loss and non-ideal efficiency sums, which the theory alone did not.\»»,»To demonstrate the new in-coupler, the researchers fabricated and tested each of the three metasurface zones individually using a custom-built optical setup. They then tested the fully assembled three-zone device as a complete system using a similar setup to measure the total coupling efficiency across the entire horizontal field of view from -10° to 10°.»,»The measurements showed strong agreement with simulations across most of the field of view. The average measured efficiency across the field was 30%, which closely matched the simulated average of 31%. The one exception was at the very edge of the field of view, at -10°, where the measured efficiency was 17% compared to the simulated 25.3%. The researchers attribute this to the design’s high angular sensitivity at that exact angle as well as potential minor fabrication imperfections.»,»The researchers are now working to apply the new metasurface design and optimization framework to other components of the waveguide to demonstrate a complete, high-efficiency metasurface-based system. Once this is accomplished, they plan to expand the design from a single color (green) to full-color (RGB) operation and then refine the design to improve fabrication tolerance and minimize the efficiency drop at the edge of the field of view.»,»The researchers point out that for this technology to be practical enough for commercialization, it will be necessary to demonstrate a fully integrated prototype that pairs the in-coupler with a real micro-display engine and an out-coupler. A robust, high-throughput manufacturing process must also be developed to replicate the complex nanostructures at a low cost.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOptica\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник