Au cours des dernières décennies, la réalité augmentée (RA) est passée d’un concept futuriste à une technologie tangible et omniprésente. La RA améliore notre perception et notre interaction avec l'environnement en mélangeant de manière transparente le contenu virtuel projeté avec des scènes du monde réel. Les écrans AR basés sur des guides d'ondes sont apparus et se sont développés comme une technologie essentielle pour les systèmes AR portables, leur permettant d'être légers et d'avoir un format mince tout en conservant des performances optiques élevées.

Les combineurs de guides d'ondes sont des composants essentiels des écrans AR basés sur des guides d'ondes. Ils fonctionnent comme des guides de lumière pour plier le chemin optique et reproduire la luminosité d’une petite source de lumière sur une vaste zone. Ceci est réalisé grâce à un processus appelé expansion de la pupille de sortie (EPE), qui reflète le processus de réplication d'un seul faisceau entrant en plusieurs faisceaux, chacun avec une intensité égale.

Dans un nouvel article publié dans eLight , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Shin-Tson Wu de l'Université de Floride centrale et le professeur Haowen Liang de l'Université Sun Yat-sen a examiné le développement de combineurs de guides d'ondes pour les écrans de réalité augmentée.

Il existe différents types de combineurs de guides d’ondes, chacun présentant ses propres avantages et inconvénients. Les styles les plus courants incluent les combinateurs de guides d'ondes géométriques, les combinateurs de guides d'ondes diffractifs et les combinateurs de guides d'ondes holographiques.

Les combineurs de guides d'ondes géométriques sont le type le plus simple, mais ils peuvent être encombrants et avoir un champ de vision limité. Les combineurs de guides d'ondes diffractifs sont plus complexes à fabriquer mais peuvent être plus fins et avoir un champ de vision plus large. Les combineurs de guides d'ondes holographiques sont le type le plus avancé et sont coûteux à fabriquer.

Les combineurs de guides d'ondes sont généralement utilisés avec des moteurs de lumière pour créer des écrans AR basés sur des guides d'ondes. Les moteurs de lumière sont les composants qui génèrent la lumière injectée dans le guide d’ondes. Certains des types les plus courants de moteurs lumineux à micro-écran incluent les cristaux liquides sur silicium, les micro-LED, les micro-OLED, le balayage par faisceau laser et les MEMS.

La conception d’un combineur de guides d’ondes est une tâche difficile. Les concepteurs doivent prendre en compte divers facteurs, tels que les performances optiques, la fabricabilité et le coût. Certains défis clés dans la conception du combineur de guides d'ondes incluent la conception du schéma EPE, l'expansion du champ de vision, la conception de la géométrie avant des coupleurs, les écrans couleur, l'efficacité optique et l'optimisation de l'uniformité.

La technologie du combineur de guides d’ondes en est encore à ses premiers stades de développement, mais elle a le potentiel de révolutionner les écrans AR. Les concepteurs s'efforcent de surmonter les défis actuels et de développer de nouveaux combineurs de guides d'ondes plus efficaces, plus abordables et plus faciles à fabriquer.

Les combineurs de guides d'ondes géométriques offrent un champ de vision (FoV) potentiellement large, une bonne uniformité, une lueur négligeable des yeux et une efficacité élevée, mais ils ont un processus de fabrication plus compliqué et un faible rendement. Les combineurs de guides d'ondes diffractifs ont une efficacité relativement faible et un FoV plus petit, et ils souffrent également d'autres problèmes, tels que la non-uniformité des couleurs, la lueur des yeux et l'effet arc-en-ciel.

Améliorer l’efficacité des guides d’ondes diffractifs tout en maintenant une bonne uniformité constitue un défi crucial. Les progrès dans les conceptions EPE, les méthodes de fabrication et les performances des matériaux des coupleurs diffractifs pourraient améliorer les combineurs de guides d'ondes diffractifs pour correspondre aux combineurs de guides d'ondes géométriques.

Cependant, la modulation actuelle de l'indice de réfraction des VHG (réseaux holographiques de volume) est insuffisante pour étendre le FoV au-delà de 50°, et des processus de fabrication peu coûteux et de haute qualité pour les SRG (réseaux de relief en surface) sont nécessaires.

Les PVG (réseaux de volume de polarisation), un nouveau coupleur diffractif, offrent des capacités de modulation dynamique, élargissant ainsi les fonctionnalités des écrans AR basés sur des guides d'ondes.

Les coupleurs basés sur des métasurfaces offrent des libertés de conception étendues, permettant de nouvelles fonctionnalités telles que les caractéristiques achromatiques. De nouvelles avancées dans l'ingénierie des appareils et les processus de fabrication devraient améliorer les performances des PVG et des coupleurs basés sur des métasurfaces pour les écrans AR.

Plus d'informations : Yuqian Ding et al, Écrans de réalité augmentée basés sur Waveguide :perspectives et défis, eLight (2023). DOI :10.1186/s43593-023-00057-z

Informations sur le journal : eLight

Fourni par l'Académie chinoise des sciences