Ultrakompakte und hocheffiziente Flüssigkristall-auf-Silizium-Lichtmaschinen für Augmented-Reality-Brillen

Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) sind innovative Anzeigetechnologien mit dem Potenzial, die Art und Weise, wie wir mit der Welt interagieren und sie erleben, zu revolutionieren.

Im Gegensatz zu VR, bei dem Benutzer in vollständig virtuelle Umgebungen eintauchen, überlagert AR digitale Inhalte in die reale Welt und ermöglicht so umfangreiche Anwendungen in den Bereichen Bildung, Training, Einzelhandel, Marketing und Navigation, um nur einige zu nennen. Auf AR-Erlebnisse kann über verschiedene Geräte zugegriffen werden, darunter Smartphones, Tablets und Smart Glasses.

Unter diesen werden sich stylische AR-Brillen durchsetzen, da sie beispiellosen Komfort und Immersion sowie ein geringes Gewicht und eine kompakte Form bieten und digitale Inhalte nahtlos in die reale Welt integrieren.

AR-Brillen bestehen normalerweise aus zwei Hauptkomponenten: einer Lichtmaschine, die für die Erzeugung digitaler Bilder zuständig ist, und einem optischen System, das den erzeugten Inhalt an den Benutzer übermittelt. In kommerziellen Produkten werden verschiedene optische Systeme wie Vogelbadoptik und Wellenleiteroptik eingesetzt.

Die Lichtmaschinen müssen sehr kompakt sein und gleichzeitig eine hohe optische Effizienz aufweisen, um langes bequemes Tragen und ein hohes Umgebungskontrastverhältnis zu ermöglichen.

„Liquid-Crystal-on-Silicon (LCoS) oder Micro-LED, wer gewinnt?“ ist zu einer heiß diskutierten Frage geworden. Micro-LED-Displays sind eine Emissionstechnologie, die mit hoher Spitzenhelligkeit, schneller Reaktionszeit, echtem Dunkelzustand und langer Lebensdauer eine Revolution im visuellen Erlebnis verspricht. Die Herstellbarkeit bleibt jedoch eine erhebliche Herausforderung.

LCoS hingegen ist ein nicht emittierender, reflektierender Mikrodisplay, der ein Frontbeleuchtungssystem benötigt. Herkömmliche LCoS-Systeme stehen aufgrund ihres sperrigen Beleuchtungssystems vor enormen Herausforderungen. Um eine hohe optische Effizienz zu erreichen, wird häufig ein sperriger Polarisationsstrahlteilerwürfel (PBS) eingebaut. Daher ist die Entwicklung eines ultrakompakten und dennoch hocheffizienten Beleuchtungssystems für LCoS-basierte AR-Brillen dringend erforderlich.

Um den Formfaktor des LCoS-Systems zu minimieren, haben Forscher ein ultrakompaktes Beleuchtungssystem mit einer Lichtleiterplatte (LGP) vorgeschlagen, um die verwendete Lichtquelle effizient auf das LCoS-Panel zu leiten.

Die Studie erschien im Optoelektronische Fortschritte.

Das Licht der Lichtquelle, z. B. einer LED-Anordnung oder Laserdioden, wird mithilfe eines Einkoppelprismas in die LGP eingekoppelt. Anschließend breitet sich das eingekoppelte Licht aufgrund der Totalreflexion (TIR) ​​an der Ober- und Unterseite innerhalb der LGP aus. Ein Teil des eingefangenen Lichts gelangt in die Extraktionsprismen, während es sich entlang der Z-Richtung ausbreitet, und das verbleibende Licht breitet sich im LGP weiter vorwärts aus.

Das Licht im Extraktionsprisma wird durch ein weiteres TIR an der geneigten Oberfläche des Prismas zum unteren LCoS-Panel reflektiert. Ein ähnliches Konzept wurde auch von Prof. Wus Gruppe vorgeschlagen, um eine gleichmäßige Beleuchtung für Flüssigkristallanzeigen zu erzeugen.

Das LCoS-Panel manipuliert die Polarisationszustände Pixel für Pixel und reflektiert das einfallende Licht zurück zum LGP. Der Großteil des reflektierten Lichts mit kodierten Informationen wird durch den LGP und einen Reinigungspolarisator an der Oberseite geleitet und gelangt schließlich in das Projektionslinsensystem, das wiederum in den nachfolgenden optischen Combiner des AR-Systems eingekoppelt wird.

Die Forscher sagen, dass die Viertelwellenplatte (QWP) je nach verwendetem LC-Modus optional ist. Wenn beispielsweise ein normalerweise schwarzes LCoS mit vertikaler Ausrichtung (VA) verwendet wird, hilft das zirkular polarisierte Licht nach der QWP, die Randfeldeffekte zu umgehen.

Andererseits kann der normalerweise weiße MTN (Mixed-mode Twisted Nematic) LCoS entweder linear oder zirkular polarisiertes Licht aufnehmen. In Magic Leap 2 wird die zirkulare Polarisation gewählt, um das Streulicht von Oberflächenreflexionen im Projektionssystem zu mildern. Ein weiterer Vorteil von MTN ist seine schnelle Reaktionszeit (~1 ms) und der schwache Randfeldeffekt.

Die Autoren haben außerdem umfangreiche Optimierungen an der Systemstruktur vorgenommen, um die Gesamtleistung zu verbessern. So sind beispielsweise die Extraktionsprismen in mehrere Zonen mit unterschiedlichem Füllfaktor unterteilt, um eine gleichmäßige Beleuchtung zu gewährleisten. Optimierungen an der Systemkonfiguration und der Größe jeder Komponente wurden vorgenommen, um eine hervorragende gleichmäßige Beleuchtung und ein hohes ANSI-Kontrastverhältnis zu erreichen, das dem Kontrastverhältnis des LCoS-Panels entspricht oder besser ist.

Darüber hinaus wird die hervorragende Farbleistung unter Berücksichtigung der Brechungsindexdispersion des Glasmaterials nachgewiesen. Darüber hinaus kann zur Kostensenkung auch Kunststoffmaterial mit einem niedrigeren Brechungsindex n = 1,7 verwendet werden.

Die optische Leistung ist akzeptabel, obwohl ein Material mit höherem Brechungsindex vorzuziehen ist. Ein derart schlanker Formfaktor und eine so hohe optische Effizienz dürften einen großen Einfluss auf die nächste Generation leichter und stromsparender AR-Brillen haben.