As grades de volume de polarização quebram o tradeoff entre uniformidade e eficiência em exibições de guia de onda de RA

A realidade aumentada (RA) evoluiu de um conceito futurista para uma tecnologia amplamente difundida, graças aos avanços nas tecnologias de microdisplay, óptica de imagem ultracompacta e processadores digitais de alta velocidade.

Ao misturar conteúdo virtual com cenas do mundo real, a RA aprimora nossa interação com o ambiente, permitindo aplicações em educação, assistência médica, navegação, jogos e manufatura.

Avanços significativos foram feitos em displays de RA baseados em guias de onda, resultando em sistemas vestíveis leves e finos com desempenho óptico aprimorado, impulsionados por inovações em acopladores como espelhos reflexivos parciais, grades de relevo de superfície, grades holográficas de volume, grades de volume de polarização (PVGs), metassuperfícies, etc.

Entretanto, a baixa eficiência dos visores de guia de onda, particularmente os tipos difrativos, continua sendo um desafio, limitando o tempo operacional dos modernos visores próximos aos olhos, alimentados por bateria.

Em um artigo publicado em Ciência da Luz e Aplicaçõesuma equipe de cientistas liderada pelo Prof. Shin-Tson Wu da Universidade da Flórida Central e pelo Prof. Yuning Zhang da Universidade de Nanjing analisou as causas da baixa eficiência óptica em displays de RA baseados em guias de onda.

Eles identificaram vazamento significativo de luz em acopladores internos, causado por múltiplas interações necessárias para manter uma boa uniformidade da caixa ocular. Para resolver isso, a equipe descobriu um fenômeno de conversão de polarização anômala em PVGs. Esse fenômeno oferece uma solução intuitiva para o tradeoff entre eficiência de acoplamento interno e uniformidade em toda a caixa ocular e campo de visão (FoV).

Utilizando essa descoberta, os pesquisadores superaram os limites de eficiência de acoplamento dos displays de RA convencionais baseados em guias de onda, reduzindo efetivamente o vazamento de luz e melhorando a eficiência de acoplamento e a uniformidade do campo de visão em fatores de 2 e 2,3, respectivamente.

Esse avanço destaca a superioridade dos PVGs como acopladores em displays de RA baseados em guias de onda, marcando um passo significativo no desenvolvimento da tecnologia de RA de alta eficiência.

PVGs são elementos ópticos holográficos seletivos de polarização que registram as informações de polarização de dois feixes interferentes que compreendem uma polarização circular destra (RCP) e uma polarização circular canhota (LCP). Apresentando uma estrutura de cristal líquido colestérico (CLC) inclinado, os PVGs refletem seletivamente estados de polarização circular correspondentes à torção helicoidal enquanto transmitem a luz com um estado de polarização circular oposto.

No entanto, os pesquisadores encontraram um fenômeno anômalo que se desvia da regra mencionada acima. Quando o ângulo de incidência no substrato de vidro se aproxima do plano de Bragg, o PVG atua como uma placa de onda em vez de uma grade, alterando o estado de polarização da luz incidente.

Graças a essas duas propriedades de polarização superiores, o uso de PVG como um acoplador de entrada em displays de guia de onda pode melhorar drasticamente a eficiência e a uniformidade do acoplamento em todo o campo de visão, mantendo ao mesmo tempo uma excelente continuidade da caixa ocular em comparação com acopladores tradicionais e de metassuperfície.

Especificamente, a luz LCP incidente é inicialmente desviada para o substrato do guia de onda e retém seu estado de polarização devido à seletividade de polarização do PVG. Após a primeira interação e reflexão interna total (TIR), o estado de polarização da luz se converte em RCP.

Após a segunda interação com o PVG, a luz passa por conversão de polarização, voltando para LCP se a espessura do PVG atender à condição de meia onda. Após outro TIR, a luz se torna RCP e é transmitida através do PVG, permitindo que ela se propague dentro do guia de onda enquanto mantém sua direção. Consequentemente, esse processo melhora significativamente a eficiência e a uniformidade do acoplamento, enquanto mantém uma continuidade de caixa ocular desejada.

Esta descoberta marca um avanço significativo em displays de RA baseados em guias de onda de alta eficiência, demonstrando a superioridade dos PVGs sobre os acopladores tradicionais e de metassuperfície.