En las últimas décadas, la realidad aumentada (RA) ha evolucionado de un concepto futurista a una tecnología tangible y omnipresente. La RA mejora nuestra percepción e interacción con el entorno al combinar a la perfección contenido virtual proyectado con escenas del mundo real. Las pantallas AR basadas en guías de onda han surgido y se han desarrollado como una tecnología crítica para los sistemas AR portátiles, lo que les permite ser livianos y tener un factor de forma delgado mientras mantienen un alto rendimiento óptico.

Los combinadores de guías de ondas son componentes críticos de las pantallas AR basadas en guías de ondas. Funcionan como guías de luz para plegar el camino óptico y replicar la luminosidad de una pequeña fuente de luz en un área amplia. Esto se logra mediante un proceso llamado expansión de la pupila de salida (EPE), que refleja el proceso de replicar un único haz entrante en numerosos haces, cada uno con la misma intensidad.

En un nuevo artículo publicado en eLight , un equipo de científicos dirigido por el profesor Shin-Tson Wu de la Universidad de Florida Central y el profesor Haowen Liang de la Universidad Sun Yat-sen ha revisado el desarrollo de combinadores de guías de ondas para pantallas de realidad aumentada.

Existen distintos tipos de combinadores de guías de ondas, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Los estilos más comunes incluyen combinadores de guías de ondas geométricas, combinadores de guías de ondas difractivas y combinadores de guías de ondas holográficas.

Los combinadores de guías de ondas geométricas son el tipo más simple, pero pueden ser voluminosos y tener un campo de visión limitado. Los combinadores de guías de ondas difractivas son más complejos de fabricar, pero pueden ser más delgados y tener un campo de visión más amplio. Los combinadores de guías de ondas holográficas son el tipo más avanzado y su fabricación es costosa.

Los combinadores de guías de ondas se utilizan normalmente con motores de luz para crear pantallas AR basadas en guías de ondas. Los motores de luz son los componentes que generan la luz inyectada en la guía de ondas. Algunos de los tipos más comunes de motores de luz de micropantalla incluyen cristal líquido sobre silicio, micro-LED, micro-OLED, escaneo por rayo láser y MEMS.

El diseño de combinadores de guías de ondas es una tarea desafiante. Los diseñadores deben considerar una variedad de factores, como el rendimiento óptico, la capacidad de fabricación y el costo. Algunos desafíos clave en el diseño de combinadores de guías de onda incluyen el diseño del esquema EPE, la expansión del campo de visión, el diseño de la geometría frontal de los acopladores, pantallas a todo color, la eficiencia óptica y la optimización de la uniformidad.

La tecnología del combinador de guías de ondas aún se encuentra en sus etapas preliminares de desarrollo, pero tiene el potencial de revolucionar las pantallas AR. Los diseñadores están trabajando para superar los desafíos actuales y desarrollar nuevos combinadores de guías de ondas que sean más eficientes, asequibles y fáciles de fabricar.

Los combinadores de guías de ondas geométricas ofrecen un campo de visión (FoV) potencialmente grande, buena uniformidad, brillo ocular insignificante y alta eficiencia, pero tienen un proceso de fabricación más complicado y un bajo rendimiento. Los combinadores de guías de ondas difractivas tienen una eficiencia relativamente baja y un FoV más pequeño, y también sufren otros problemas, como la falta de uniformidad del color, el brillo de los ojos y el efecto arcoíris.

Mejorar la eficiencia de la guía de ondas difractiva y al mismo tiempo mantener una buena uniformidad es un desafío crucial. Los avances en los diseños de EPE, los métodos de fabricación y el rendimiento de los materiales de los acopladores difractivos podrían mejorar los combinadores de guías de ondas difractivas para que coincidan con los combinadores de guías de ondas geométricas.

Sin embargo, la modulación actual del índice de refracción de las VHG (rejillas holográficas de volumen) es insuficiente para extender el FoV más allá de 50°, y se necesitan procesos de fabricación de alta calidad y bajo costo para las SRG (rejillas de relieve superficial).

PVG (rejillas de volumen de polarización), un novedoso acoplador difractivo, proporciona capacidades de modulación dinámica, ampliando la funcionalidad de las pantallas AR basadas en guías de ondas.

Los acopladores basados ​​en Metasurface ofrecen amplias libertades de diseño, lo que permite funcionalidades novedosas como características acromáticas. Se espera que nuevos avances en la ingeniería de dispositivos y los procesos de fabricación mejoren el rendimiento de los PVG y los acopladores basados ​​en metasuperficies para pantallas AR.

Más información: Yuqian Ding et al, Pantallas de realidad aumentada basadas en Waveguide:perspectivas y desafíos, eLight (2023). DOI:10.1186/s43593-023-00057-z

Información de la revista: eLuz

Proporcionado por la Academia China de Ciencias