La réalité augmentée (AR), la réalité virtuelle (VR) et la réalité mixte (MR) ont élargi les horizons de perception et ont ouvert la voie à des interactions homme-numérique plus profondes qui transcendent les limites des écrans plats traditionnels.

Cette évolution a ouvert un domaine de nouvelles possibilités passionnantes, englobant le métaverse, les jumeaux numériques et l'informatique spatiale, qui ont tous trouvé des applications généralisées dans divers domaines tels que l'éducation et la formation intelligentes, les soins de santé, la navigation, les jeux, le divertissement et la fabrication intelligente. .

Pour que les écrans AR, VR et MR deviennent véritablement portables pendant une période prolongée, il existe un besoin urgent d'un format compact et élégant, d'un faible poids et d'une faible consommation d'énergie. Par rapport aux lentilles de Fresnel et aux lentilles réfractives, les optiques pliées basées sur la polarisation, souvent appelées optiques pancake, sont devenues une avancée majeure pour les casques VR compacts et légers au cours des dernières années, notamment Apple Vision Pro et Meta Quest 3.

Ces optiques pancake réduisent considérablement le volume d’un écran VR, ce qui améliore le centre de gravité du casque. Cependant, le demi-miroir utilisé provoque des pertes optiques considérables, ce qui limite le rendement maximum à 25 %. Par conséquent, les chercheurs travaillent à une nouvelle structure optique ayant la même capacité de pliage que la lentille pancake, mais sans la perte optique.

Les auteurs d'un nouvel article publié dans Opto-Electronic Advances ont exploré en profondeur les moteurs d'éclairage, l'optique d'imagerie et la consommation électrique des écrans AR, VR et MR. Un système optique pancake révolutionnaire permettant de réduire le volume des écrans VR et MR, tout en conservant une efficacité élevée, est proposé par cet article.

La motivation derrière cette recherche est la demande croissante de casques VR/MR portables qui sont non seulement visuellement impressionnants mais également confortables pour une utilisation prolongée. Les casques VR actuels dotés d'une optique pancake conventionnelle sont confrontés à des défis tels qu'une faible efficacité optique, ce qui entraîne à son tour un effet thermique accru du casque et une courte durée de vie de la batterie en raison de l'énorme perte optique induite par le demi-miroir.

Comme le montre la figure 1 (a – b), seulement environ 25 % de la lumière (en supposant qu'il n'y ait aucune autre perte) provenant du panneau d'affichage atteint l'œil de l'observateur. Cependant, si le micro-écran émet une lumière non polarisée, l'efficacité optique maximale est encore réduite à 12,5 %. La lumière non utilisée sera soit absorbée par le casque, ce qui augmenterait l'effet thermique, soit deviendra une lumière parasite, ce qui dégraderait la qualité de l'image.

Le nouveau système optique pancake relève ce défi en introduisant une conception théorique sans perte, incorporant un rotateur de polarisation non réciproque, également connu sous le nom de rotateur de Faraday, entre polariseurs réfléchissants, comme le montre la figure 1 (c – d). Dans une telle conception, le rotateur de polarisation non réciproque joue un rôle essentiel dans le pliage des chemins optiques.

Comparé au rotateur de polarisation réciproque (par exemple, plaques demi-onde), le rotateur de polarisation non réciproque fait tourner la lumière polarisée linéairement quelle que soit la direction de propagation de l'onde optique, comme le montre la figure 2. Par conséquent, un aller-retour de propagations vers l'avant et vers l'arrière à travers le rotateur de polarisation non réciproque entraîne une rotation nette de 2θ.

Des expériences préliminaires ont été menées avec une source laser et un panneau micro-OLED pour vérifier son efficacité optique et sa capacité de pliage, comme illustré sur les figures 3 (a) et (b – c), respectivement. L'efficacité optique mesurée est d'environ 71,5 % en raison de l'absence de revêtement antireflet (AR) et des performances non idéales des polariseurs réfléchissants utilisés.

Après avoir utilisé des polariseurs réfléchissants haute performance et un revêtement AR, l'efficacité optique est améliorée à 93,2 %, ce qui se rapproche de la prédiction théorique. De plus, quatre types d’images fantômes possibles sont analysés dans ce nouveau système optique pancake. En identifiant la cause profonde de ces images fantômes, de nouvelles méthodes sont proposées pour améliorer le rapport de contraste de l’image. De plus, une structure multicouche est proposée pour élargir la bande passante du rotateur Faraday afin de permettre des affichages couleur.

Comme indiqué sur la figure 3 (d – f), trois séquences de rotateurs de polarisation non réciproques et de plaques quart d'onde suffisent pour obtenir une réponse spectrale à large bande. Enfin, pour obtenir un large champ de vision et un format vraiment compact, certains candidats possibles pour les matériaux magnéto-optiques en couches minces sont analysés et discutés dans l'article.

Dans l’ensemble, ces démonstrations montrent le potentiel d’un tel nouveau système optique pancake qui pourrait révolutionner les écrans VR et MR de nouvelle génération avec un format léger et compact et une faible consommation d’énergie. Le besoin pressant d'un rotateur de Faraday à couche mince, à la fois sans aimant et hautement transparent, tout en possédant une grande constante de Verdet dans la région visible, devrait inspirer le prochain développement de matériaux magnéto-optiques à l'avenir. P>

Plus d'informations : Yuqiang Ding et al, Briser la limite d'efficacité optique de la réalité virtuelle avec un rotateur de polarisation non réciproque, Opto-Electronic Advances (2024). DOI :10.29026/oea.2024.230178

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