La realidad aumentada (AR), la realidad virtual (VR) y la realidad mixta (MR) han ampliado los horizontes de percepción y han dado paso a interacciones humano-digitales más profundas que trascienden los límites de las pantallas planas tradicionales.
Esta evolución ha abierto un ámbito de nuevas e interesantes posibilidades, que abarcan el metaverso, los gemelos digitales y la computación espacial, todos los cuales han encontrado aplicaciones generalizadas en diversos campos, como la educación y la formación inteligentes, la atención sanitaria, la navegación, los juegos, el entretenimiento y la fabricación inteligente. .
Para que las pantallas AR, VR y MR sean realmente portátiles durante un período prolongado, existe una necesidad apremiante de un factor de forma compacto y elegante, de bajo peso y bajo consumo de energía. En comparación con las lentes Fresnel y las lentes refractivas, las ópticas plegadas basadas en polarización, a menudo denominadas ópticas tipo pancake, se han convertido en los últimos años en un avance fundamental para los cascos de realidad virtual compactos y livianos, incluidos Apple Vision Pro y Meta Quest 3.
Estas ópticas tipo panqueque reducen en gran medida el volumen de una pantalla de realidad virtual, lo que a su vez mejora el centro de gravedad de los auriculares. Sin embargo, el medio espejo utilizado provoca una pérdida óptica considerable, lo que limita la eficiencia máxima al 25%. Por lo tanto, los investigadores están trabajando hacia una nueva estructura óptica con la misma capacidad de plegado que la lente tipo panqueque, pero sin la pérdida óptica.
Los autores de un nuevo artículo publicado en Opto-Electronic Advances han explorado ampliamente los motores de luz, la óptica de imágenes y el consumo de energía de las pantallas AR, VR y MR. En este artículo se propone un innovador sistema óptico tipo panqueque para reducir el volumen de las pantallas de realidad virtual y resonancia magnética, manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia.
La motivación detrás de esta investigación es la creciente demanda de cascos VR/MR portátiles que no sólo sean visualmente impresionantes sino también cómodos para un uso prolongado. Los cascos de realidad virtual actuales con óptica tipo panqueque convencional enfrentan desafíos como una baja eficiencia óptica, lo que a su vez conduce a un mayor efecto térmico del casco y una corta duración de la batería debido a la tremenda pérdida óptica inducida por el medio espejo.
Como se muestra en la Fig. 1 (a–b), sólo alrededor del 25% de la luz (suponiendo que no se pierda ninguna otra pérdida) del panel de visualización llega al ojo del observador. Sin embargo, si la micropantalla emite luz no polarizada, la eficiencia óptica máxima se reduce aún más al 12,5%. La luz no utilizada será absorbida por los auriculares, lo que aumentaría el efecto térmico, o se convertirá en luz dispersa, lo que degradaría la calidad de la imagen.
El novedoso sistema óptico tipo panqueque aborda este desafío introduciendo un diseño teóricamente sin pérdidas, incorporando un rotador de polarización no recíproca, también conocido como rotador de Faraday, entre polarizadores reflectantes, como se muestra en la Fig. 1 (c – d). En tal diseño, el rotador de polarización no recíproca juega un papel crítico en el plegado de las trayectorias ópticas.
En comparación con el rotador de polarización recíproca (por ejemplo, placas de media onda), el rotador de polarización no recíproca hace girar la luz polarizada linealmente independientemente de la dirección de propagación de la onda óptica, como se muestra en la Fig. 2. En consecuencia, un viaje de ida y vuelta de propagaciones hacia adelante y hacia atrás a través del rotador de polarización no recíproca da como resultado una rotación neta de 2θ.
Se realizaron experimentos preliminares con una fuente láser y un panel micro-OLED para verificar su eficiencia óptica y capacidad de plegado como se muestra en la Fig. 3 (a) y (b-c), respectivamente. La eficiencia óptica medida es de alrededor del 71,5 % debido a la falta de revestimiento antirreflectante (AR) y al rendimiento no ideal de los polarizadores reflectantes empleados.
Después de utilizar polarizadores reflectantes de alto rendimiento y recubrimiento AR, la eficiencia óptica mejora al 93,2%, lo que se acerca a la predicción teórica. Además, en este novedoso sistema óptico tipo panqueque se analizan cuatro tipos de posibles imágenes fantasma. Al identificar la causa raíz de estas imágenes fantasma, se proponen nuevos métodos para mejorar la relación de contraste de la imagen. Además, se propone una estructura multicapa para ampliar el ancho de banda del rotador de Faraday para permitir pantallas a todo color.
Como se indica en la Fig. 3 (d – f), tres secuencias de rotadores de polarización no recíprocas y placas de cuarto de onda son adecuadas para lograr una respuesta espectral de banda ancha. Finalmente, para lograr un gran campo de visión y un factor de forma verdaderamente compacto, en el artículo se analizan y discuten algunos posibles candidatos de material magnetoóptico de película delgada.
En general, estas demostraciones muestran el potencial que tiene un sistema óptico pancake tan novedoso que podría revolucionar las pantallas de realidad virtual y resonancia magnética de próxima generación con un factor de forma liviano y compacto y un bajo consumo de energía. Se espera que la apremiante necesidad de un rotador de Faraday de película delgada que no tenga imanes y sea altamente transparente, y que al mismo tiempo posea una gran constante de Verdet en la región visible, inspire la próxima ronda de desarrollo de materiales magnetoópticos en el futuro. P>
Más información: Yuqiang Ding et al, Rompiendo el límite de eficiencia óptica de la realidad virtual con un rotador de polarización no recíproca, Avances optoelectrónicos (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230178
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