Революция в AR-очках: трёхслойная голографическая технология решает проблему яркости дисплея

Основной барьер на пути развития цветных AR-очков кроется в простой физической проблеме: оптическая система теряет значительную часть света, поэтому дисплей вынужден работать на максимальной яркости, что быстро разряжает батарею. Учёные предложили инновационное решение, разделив красный, зелёный и синий свет между тремя отдельными голографическими слоями. Экспериментальный прототип успешно пропустил через прозрачное стекло независимые изображения каждого цвета, которые были объединены в единую полноцветную композицию.

В современных системах дополненной реальности нельзя просто установить непрозрачный экран перед глазами пользователя. Система должна одновременно передавать изображение окружающего мира (помещения, улицы, рабочей поверхности) и накладывать на него цифровой контент. Для этого маленький дисплей генерирует изображение, а специальная оптика доставляет свет от экрана к глазу наблюдателя.

Одним из эффективных решений является тонкий стеклянный волновод. Свет вводится внутрь стекла под определённым углом, после чего световой луч распространяется внутри материала благодаря полному внутреннему отражению. При таком отражении свет многократно отскакивает от границ стекла и не выходит наружу. Это позволяет изображению перемещаться по прозрачной пластине, в то время как сам источник света расположен сбоку от глаза. В конечной точке пути специальная оптическая конструкция выводит свет из волновода к глазам наблюдателя. Именно на этом принципе основаны экспериментальные голографические волноводные дисплеи.

Для введения и вывода света используются объёмные голографические решётки. Лазер создаёт внутри светочувствительного материала интерференционную картину с микроскопическими периодическими изменениями оптических характеристик. Образовавшаяся решётка отклоняет падающий свет в заданном направлении. Поэтому одна голографическая структура может направить изображение в волновод, а вторая вывести его к глазу.

При работе с полноцветным изображением задача становится значительно сложнее. Красный, зелёный и синий свет обладают различными длинами волн, поэтому одна голографическая решётка взаимодействует с ними неодинаково. Ранее применялся метод записи решёток для всех трёх цветов в одном слое светочувствительного материала. Однако наложение нескольких голограмм друг на друга снижает эффективность дифракции: меньше света попадает по назначению, и изображение теряет яркость.

В новой конструкции каждому цветовому каналу отведён собственный фотополимерный слой. Сначала фиксируют решётку для одного спектрального диапазона, затем для остальных двух, после чего объединяют готовые красный, зелёный и синий слои в единую многослойную структуру. Параметры каждой решётки настраиваются независимо, без необходимости найти компромисс для всех трёх цветовых каналов одновременно. Такое разделение повышает КПД светопередачи и позволяет получить более яркую картину при том же энергопотреблении дисплея. Альтернативный вариант предусматривает сохранение прежней яркости при одновременном снижении энергопотребления миниатюрного экрана — это особенно важно для компактных устройств с ограниченной ёмкостью аккумулятора.

Авторы также трансформировали процесс изготовления многослойной оптики. При традиционной записи голографических волноводов для создания нужной конфигурации световых потоков могут применяться призмы. Призменный подход усложняет конструкцию установки, а несколько отдельно созданных слоёв потом нужно с высокой точностью совмещать. Даже минимальное смещение между решётками нарушает ход световых лучей и нарушает работу цветовых компонентов.

Новая технология обходится без призм. Процесс записи основан на брэгговской дифракции в отражательной конфигурации, которая позволяет последовательно записывать взаимно согласованные решётки. Благодаря этому красный, зелёный и синий слои занимают нужное относительное положение прямо во время производства, без необходимости в дополнительной сложной юстировке. Этот же принцип успешно применялся ранее для оптимальной передачи света в голографические волноводы.

Для проверки системы учёные встроили трёхслойные решётки в прозрачный стеклянный волновод. Один многослойный элемент функционировал на входе, второй на выходе. Компактный дисплей создавал тестовое изображение, а специальная линза преобразовывала расходящиеся лучи в почти параллельный пучок света и направляла его перпендикулярно вводной решётке.

Входная решётка изменяла траекторию света, отправляя его внутрь стекла под углом, при котором начинается полное внутреннее отражение. Затем изображение следовало вдоль волновода, многократно отражаясь от его внутренних граней. Достигнув выходной решётки, свет снова изменял направление и выходил из стекла в сторону глаза. Таким способом прозрачная пластина переносит цифровое изображение от микроскопического экрана к нужной позиции перед наблюдателем без использования громоздких систем зеркал и оптических элементов.

При проведении экспериментов через волновод успешно прошли красное, зелёное и синее изображения по отдельности, а также полноцветная композиция. Результаты подтвердили, что три независимо записанные голографические решётки могут функционировать вместе в единой прозрачной оптической системе и передавать все основные цветовые диапазоны по одному волноводу.

Текущая экспериментальная установка ещё далека от готового к использованию изделия. Следующий этап потребует работы над всей системой дисплея, а не только отдельными голографическими компонентами. Исследователям необходимо расширить угол обзора и добиться равномерной цветопередачи на всём изображении. Угол обзора определяет, какую часть пространства перед пользователем может занимать виртуальный контент. Равномерность цветов необходима для того, чтобы разные участки изображения не приобретали нежелательный красноватый или зеленоватый оттенок.

Перед внедрением в коммерческие продукты оптическую систему также необходимо миниатюризировать до размеров обычных очков. В компактном прототипе потребуется произвести измерение яркости, оценить качество картины и энергопотребление, проверить комфортность для зрения и убедиться, что все параметры остаются стабильными при интенсивном использовании.

Трёхслойная технология рассматривается главным образом для прозрачных дисплеев систем дополненной реальности. С их помощью можно выводить подсказки для навигации, инструкции для ремонта и обслуживания техники, учебные материалы, медицинские снимки и данные для профессионального обучения, при этом сохраняя видимость окружающей действительности. Этот же подход допускает увеличение площади оптических компонентов. В будущем многослойные голографические решётки могут быть использованы в автомобильных проекционных системах на передних стеклах, позволяя водителю видеть цифровую информацию в зоне прямой видимости и реже отвлекаться на приборную панель.