La realtà aumentata (AR), la realtà virtuale (VR) e la realtà mista (MR) hanno ampliato gli orizzonti percettivi e inaugurato interazioni uomo-digitale più profonde che trascendono i confini dei tradizionali display a schermo piatto.
Questa evoluzione ha sbloccato un regno di nuove ed entusiasmanti possibilità, che comprendono il metaverso, i gemelli digitali e l’informatica spaziale, che hanno tutti trovato applicazioni diffuse in diversi campi come l’istruzione e la formazione intelligenti, l’assistenza sanitaria, la navigazione, i giochi, l’intrattenimento e la produzione intelligente. .
Affinché i display AR, VR e MR diventino veramente indossabili per un lungo periodo, c'è un urgente bisogno di un fattore di forma compatto ed elegante, di un peso ridotto e di un basso consumo energetico. Rispetto alle lenti di Fresnel e alle lenti rifrattive, l'ottica piegata basata sulla polarizzazione, spesso definita ottica pancake, è emersa come una svolta fondamentale per i visori VR compatti e leggeri negli ultimi anni, tra cui Apple Vision Pro e Meta Quest 3.
Queste ottiche pancake riducono notevolmente il volume di un display VR, che a sua volta migliora il baricentro del visore. Tuttavia, il semispecchio utilizzato provoca una notevole perdita ottica, che limita l'efficienza massima al 25%. Pertanto, i ricercatori stanno lavorando a una nuova struttura ottica con la stessa capacità di piegatura della lente pancake, ma senza perdita ottica.
Gli autori di un nuovo articolo pubblicato su Opto-Electronic Advances hanno esplorato ampiamente i motori di illuminazione, l'ottica per l'imaging e il consumo energetico dei display AR, VR e MR. In questo articolo viene proposto un sistema ottico pancake rivoluzionario per ridurre il volume dei display VR e MR, pur mantenendo un'elevata efficienza.
La motivazione alla base di questa ricerca è la crescente domanda di visori VR/MR indossabili che non siano solo visivamente impressionanti ma anche comodi per un uso prolungato. Gli attuali visori VR con ottica pancake convenzionale devono affrontare sfide come la bassa efficienza ottica, che a sua volta porta a un maggiore effetto termico del visore e a una breve durata della batteria a causa dell'enorme perdita ottica indotta dal mezzo specchio.
Come illustrato nella Figura 1 (a–b), solo circa il 25% della luce (supponendo che non vi siano altre perdite) proveniente dal pannello di visualizzazione raggiunge l'occhio dell'osservatore. Tuttavia, se il microdisplay emette luce non polarizzata, l'efficienza ottica massima si riduce ulteriormente al 12,5%. La luce inutilizzata verrà assorbita dalle cuffie, aumentando l'effetto termico, o diventerà luce diffusa, riducendo la qualità dell'immagine.
Il nuovo sistema di ottica pancake affronta questa sfida introducendo un design teoricamente senza perdite, incorporando un rotatore di polarizzazione non reciproca, noto anche come rotatore di Faraday, tra polarizzatori riflettenti come mostrato in Fig. 1 (c-d). In un progetto di questo tipo, il rotatore di polarizzazione non reciproca gioca un ruolo fondamentale nel piegare i percorsi ottici.
Rispetto al rotatore di polarizzazione reciproca (ad esempio, piastre a semionda), il rotatore di polarizzazione non reciproca ruota la luce polarizzata linearmente indipendentemente dalla direzione di propagazione dell'onda ottica, come illustrato nella Fig. 2. Di conseguenza, un viaggio di andata e ritorno di propagazioni in avanti e all'indietro attraverso il rotatore di polarizzazione non reciproca risulta in una rotazione netta di 2θ.
Sono stati condotti esperimenti preliminari con una sorgente laser e un pannello micro-OLED per verificarne l'efficienza ottica e la capacità di piegatura come illustrato rispettivamente in Fig. 3 (a) e (b-c). L'efficienza ottica misurata è di circa il 71,5% a causa della mancanza di rivestimento antiriflesso (AR) e delle prestazioni non ideali dei polarizzatori riflettenti utilizzati.
Dopo aver utilizzato polarizzatori riflettenti ad alte prestazioni e rivestimento AR, l'efficienza ottica è migliorata al 93,2%, avvicinandosi alla previsione teorica. Inoltre, in questo nuovo sistema ottico pancake vengono analizzati quattro tipi di possibili immagini fantasma. Attraverso l'identificazione della causa principale di queste immagini fantasma, vengono proposti nuovi metodi per migliorare il rapporto di contrasto dell'immagine. Inoltre, viene proposta una struttura multistrato per ampliare la larghezza di banda del rotatore di Faraday per consentire visualizzazioni a colori.
Come indicato in Fig. 3 (d – f), tre sequenze di rotatori di polarizzazione non reciproca e piastre a quarto d'onda sono adeguate per ottenere una risposta spettrale a banda larga. Infine, per ottenere un ampio campo visivo e un fattore di forma veramente compatto, nell'articolo vengono analizzati e discussi alcuni possibili candidati del materiale magneto-ottico a film sottile.
Nel complesso, queste dimostrazioni mostrano il potenziale che un nuovo sistema di ottica pancake potrebbe rivoluzionare i display VR e MR di prossima generazione con un fattore di forma leggero, compatto e un basso consumo energetico. Si prevede che la pressante necessità di un rotatore di Faraday a film sottile che sia privo di magneti e altamente trasparente, pur possedendo un'ampia costante di Verdet nella regione visibile, ispirerà il prossimo sviluppo di materiali magneto-ottici in futuro.
Ulteriori informazioni: Yuqiang Ding et al, Superare il limite di efficienza ottica della realtà virtuale con un rotatore di polarizzazione non reciproca, Progressi optoelettronici (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230178
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