Polarisationsvolumengitter brechen den Kompromiss zwischen Gleichmäßigkeit und Effizienz bei AR-Wellenleiteranzeigen

Augmented Reality (AR) hat sich dank Fortschritten in der Mikrodisplay-Technologie, ultrakompakter Bildoptik und schnellen digitalen Prozessoren von einem futuristischen Konzept zu einer weit verbreiteten Technologie entwickelt.

Durch die Verknüpfung virtueller Inhalte mit realen Szenen verbessert AR unsere Interaktion mit der Umgebung und ermöglicht Anwendungen in den Bereichen Bildung, Gesundheitswesen, Navigation, Gaming und Fertigung.

Bei wellenleiterbasierten AR-Displays wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Das Ergebnis sind leichte, schlanke tragbare Systeme mit verbesserter optischer Leistung, die durch Innovationen bei Kopplern wie teilweise reflektierenden Spiegeln, Oberflächenreliefgittern, volumetrischen holografischen Gittern, Polarisationsvolumengittern (PVGs), Metaoberflächen usw. vorangetrieben werden.

Allerdings bleibt die geringe Effizienz von Wellenleiterdisplays, insbesondere diffraktiver Typen, eine Herausforderung und begrenzt die Betriebszeit moderner batteriebetriebener Near-Eye-Displays.

In einem Papier veröffentlicht in Lichtwissenschaft und AnwendungenEin Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Prof. Shin-Tson Wu von der University of Central Florida und Prof. Yuning Zhang von der Universität Nanjing hat die Ursachen für die geringe optische Effizienz wellenleiterbasierter AR-Displays analysiert.

Sie stellten einen erheblichen Lichtverlust an den Einkoppelstellen fest, der durch zahlreiche Wechselwirkungen verursacht wurde, die für die Aufrechterhaltung einer guten Gleichmäßigkeit der Eyebox erforderlich sind. Um dieses Problem zu lösen, entdeckte das Team ein anomales Polarisationskonversionsphänomen in PVGs. Dieses Phänomen bietet eine intuitive Lösung für den Kompromiss zwischen Einkoppeleffizienz und Gleichmäßigkeit in der gesamten Eyebox und im Sichtfeld (FoV).

Mithilfe dieser Entdeckung haben die Forscher die Grenzen der Einkopplungseffizienz herkömmlicher wellenleiterbasierter AR-Displays überschritten, den Lichtverlust effektiv verringert und die Einkopplungseffizienz sowie die FoV-Gleichmäßigkeit um den Faktor 2 bzw. 2,3 verbessert.

Dieser Fortschritt unterstreicht die Überlegenheit von PVGs als Koppler in wellenleiterbasierten AR-Displays und stellt einen bedeutenden Schritt vorwärts in der Entwicklung hocheffizienter AR-Technologie dar.

PVGs sind polarisationsselektive holografische optische Elemente, die die Polarisationsinformationen zweier interferierender Strahlen aufzeichnen, die aus einer rechtshändigen zirkularen Polarisation (RCP) und einer linkshändigen zirkularen Polarisation (LCP) bestehen. PVGs verfügen über eine schräge Struktur aus cholesterischem Flüssigkristall (CLC) und reflektieren selektiv zirkulare Polarisationszustände, die der spiralförmigen Drehung entsprechen, während sie das Licht mit einem entgegengesetzten zirkularen Polarisationszustand durchlassen.

Allerdings stellten die Forscher fest, dass es ein ungewöhnliches Phänomen gibt, das von der oben genannten Regel abweicht. Nähert sich der Einfallswinkel im Glassubstrat der Bragg-Ebene, fungiert das PVG als Wellenplatte und nicht als Gitter, wodurch der Polarisationszustand des einfallenden Lichts verändert wird.

Dank dieser beiden überlegenen Polarisationseigenschaften kann die Verwendung von PVG als Einkoppler in Wellenleiterdisplays die Einkopplungseffizienz und -gleichmäßigkeit im gesamten Sichtfeld dramatisch verbessern und gleichzeitig im Vergleich zu herkömmlichen und Metaoberflächenkopplern eine hervorragende Eyebox-Kontinuität aufrechterhalten.

Insbesondere wird einfallendes LCP-Licht zunächst in das Wellenleitersubstrat abgelenkt und behält seinen Polarisationszustand aufgrund der Polarisationsselektivität von PVG. Nach der ersten Wechselwirkung und der Totalreflexion (TIR) ​​wandelt sich der Polarisationszustand des Lichts in RCP um.

Bei der zweiten Interaktion mit dem PVG erfährt das Licht eine Polarisationsumwandlung und wird wieder zu LCP, wenn die PVG-Dicke die Halbwellenbedingung erfüllt. Nach einer weiteren TIR wird das Licht zu RCP und wird durch das PVG übertragen, wodurch es sich innerhalb des Wellenleiters ausbreiten kann und dabei seine Richtung beibehält. Folglich verbessert dieser Prozess die Einkopplungseffizienz und -gleichmäßigkeit erheblich und behält gleichzeitig die gewünschte Eyebox-Kontinuität bei.

Diese Entdeckung stellt einen bedeutenden Fortschritt bei hocheffizienten, wellenleiterbasierten AR-Displays dar und demonstriert die Überlegenheit von PVGs gegenüber herkömmlichen und Metaoberflächen-Einkopplern.