Moteurs de lumière à cristaux liquides sur silicium ultracompacts et à haut rendement pour lunettes de réalité augmentée

La réalité augmentée (AR) et la réalité virtuelle (VR) sont des technologies d’affichage innovantes capables de révolutionner la façon dont nous interagissons et expérimentons le monde.

Contrairement à la réalité virtuelle, qui plonge les utilisateurs dans des environnements entièrement virtuels, la réalité augmentée superpose le contenu numérique au monde réel, permettant ainsi de vastes applications dans les domaines de l’éducation, de la formation, de la vente au détail, du marketing et de la navigation, pour n’en nommer que quelques-unes. Les expériences AR sont accessibles via divers appareils, notamment les smartphones, les tablettes et les lunettes intelligentes.

Parmi celles-ci, les lunettes AR élégantes deviendront le courant dominant car elles offrent une commodité et une immersion inégalées, un format léger et compact, intégrant de manière transparente le contenu numérique dans le monde réel.

Les lunettes AR se composent généralement de deux composants principaux : un moteur lumineux, chargé de générer des images numériques, et un système optique, qui transmet le contenu généré aux utilisateurs. Différents systèmes optiques tels que l’optique birdbath et l’optique guide d’ondes ont été appliqués dans des produits commerciaux.

Les moteurs de lumière doivent être très compacts tout en conservant une efficacité optique élevée pour permettre un port confortable de longue durée et un rapport de contraste ambiant élevé.

« Cristaux liquides sur silicium (LCoS) ou micro-LED, qui gagne ? » est devenue une question de débat houleux. L’écran micro-LED est une technologie émissive qui promet de révolutionner les expériences visuelles avec une luminosité maximale élevée, un temps de réponse rapide, un véritable état d’obscurité et une longue durée de vie. Cependant, sa fabricabilité reste un défi important.

D’autre part, le LCoS est un micro-écran réfléchissant non émissif, qui nécessite un système d’éclairage frontal. Le système LCoS conventionnel est confronté à d’énormes défis en raison de son système d’éclairage volumineux. Pour obtenir une efficacité optique élevée, il intègre souvent un cube séparateur de faisceau polarisant (PBS) volumineux. Par conséquent, il est urgent de parvenir à un système d’éclairage ultracompact mais à haute efficacité pour les lunettes AR basées sur LCoS.

Pour minimiser le facteur de forme du système LCoS, les chercheurs ont proposé un système d’éclairage ultracompact avec une plaque de guidage de lumière (LGP) pour diriger efficacement la source de lumière utilisée vers le panneau LCoS.

Leur étude est publiée dans Avancées opto-électroniques.

La lumière provenant de la source lumineuse, par exemple un réseau de LED ou des diodes laser, est couplée au LGP à l’aide d’un prisme de couplage. Ensuite, la lumière couplée se propage à l’intérieur du LGP en raison de la réflexion interne totale (TIR) ​​sur les surfaces supérieure et inférieure. Une partie de la lumière piégée pénètre dans les prismes d’extraction, tout en se propageant dans la direction Z, tandis que la lumière restante continue de se propager vers l’avant dans le LGP.

La lumière à l’intérieur du prisme d’extraction est réfléchie vers le panneau LCoS inférieur à travers un autre TIR sur la surface inclinée du prisme. Un concept similaire a également été proposé par le groupe du professeur Wu pour générer un éclairage uniforme pour les écrans à cristaux liquides.

Le panneau LCoS manipule les états de polarisation pixel par pixel et réfléchit la lumière entrante vers LGP. La majeure partie de la lumière réfléchie avec les informations codées sera transmise via le LGP et un polariseur de nettoyage sur le dessus, et entrera finalement dans le système de lentilles de projection, qui à son tour sera couplé au combinateur optique ultérieur du système AR.

Les chercheurs affirment que la plaque quart d’onde (QWP) est facultative, en fonction du mode LC utilisé. Par exemple, si un LCoS à alignement vertical (VA) normalement noir est utilisé, la lumière polarisée circulairement après le QWP aide à contourner les effets de champ marginal.

D’autre part, le LCoS MTN (Mixed-mode Twisted Nematic) normalement blanc peut prendre une lumière polarisée linéairement ou circulairement. Dans Magic Leap 2, la polarisation circulaire est choisie pour atténuer la lumière parasite provenant des réflexions de surface dans le système de projection. Un autre avantage du MTN est son temps de réponse rapide (~ 1 ms) et son faible effet de champ marginal.

Les auteurs ont également procédé à de vastes optimisations de la structure du système afin d’améliorer les performances globales. Par exemple, les prismes d’extraction sont divisés en plusieurs zones avec un facteur de remplissage différent pour garantir l’uniformité de l’éclairage. Des optimisations sur la configuration du système et la taille de chaque composant ont été réalisées pour obtenir une excellente uniformité d’éclairement et un rapport de contraste ANSI élevé, égal ou supérieur au rapport de contraste du panneau LCoS.

De plus, la performance exceptionnelle des couleurs est démontrée en tenant compte de la dispersion de l’indice de réfraction du matériau en verre. De plus, une matière plastique ayant un indice de réfraction inférieur n = 1,7 peut également être utilisée pour réduire le coût.

Ses performances optiques sont acceptables, même si un matériau à indice plus élevé est préféré. Un format aussi mince et une efficacité optique élevée devraient avoir un impact important sur les lunettes AR légères et à faible consommation de nouvelle génération.