Una nueva generación de pantallas VR y MR se revoluciona con el innovador sistema óptico de Pancake

La realidad aumentada (AR), la realidad virtual (VR) y la realidad mixta (MR) han ampliado el alcance de la percepción, han superado los límites de las pantallas planas tradicionales y han profundizado la interacción entre humanos y digitales.

Esta evolución ha abierto una gama de nuevas e interesantes posibilidades, incluido el metaverso, el gemelo digital y la computación espacial, que han encontrado aplicaciones generalizadas en campos como la educación inteligente, la capacitación, la atención médica, la navegación, los juegos, el entretenimiento y la fabricación inteligente. .

Las pantallas AR, VR y MR necesitan factores de forma compactos y elegantes, peso ligero y bajo consumo de energía para ser realmente portátiles durante largos períodos de tiempo. En comparación con las lentes Fresnel y las lentes refractivas, las ópticas plegadas basadas en polarización, a menudo llamadas ópticas tipo panqueque, han supuesto un gran avance en los cascos de realidad virtual compactos y livianos como Apple Vision Pro y Meta Quest 3 en los últimos años.

Estas ópticas de contenedor reducen significativamente el volumen de la pantalla de realidad virtual, lo que mejora el centro de gravedad del auricular. Sin embargo, los semiespejos utilizados provocan pérdidas ópticas que limitan la eficiencia máxima al 25%. Por lo tanto, los investigadores están trabajando para crear una nueva estructura óptica que pueda plegarse como una lente en forma de panqueque, pero sin pérdida óptica.

Autores de nuevos artículos publicados en Avances en optoelectrónica Se han estudiado cuidadosamente el motor liviano, la óptica de imágenes y el consumo de energía de las pantallas AR, VR y MR. Este artículo propone un sistema óptico panqueque innovador diseñado para un volumen reducido y una alta eficiencia de pantallas de realidad virtual y resonancia magnética.

La motivación de esta investigación es la creciente demanda de cascos VR/MR que no sólo sean visibles, sino que también puedan usarse cómodamente durante largos períodos de tiempo. Los cascos de realidad virtual con óptica tipo panqueque convencional enfrentan algunos desafíos con la eficiencia óptica, lo que aumenta el efecto térmico del casco y acorta la duración de la batería debido a las grandes pérdidas ópticas causadas por los semiespejos.

Como se muestra en la Figura 1 (a–b), solo alrededor del 25% de la luz emitida por el panel de visualización (suponiendo que no haya otras pérdidas) llega al ojo del observador. Sin embargo, si la micropantalla emite luz no polarizada, la eficiencia óptica máxima se reducirá al 12,5%. La luz no utilizada puede ser absorbida por los auriculares, aumentando el efecto térmico, o convertirse en luz dispersa, degradando la calidad de la imagen.

Un nuevo sistema óptico tipo panqueque resuelve este desafío introduciendo un diseño teóricamente sin pérdidas e insertando un rotador de polarización diferente, conocido como rotador de Faraday, entre los polarizadores reflectantes que se muestran en la Fig. 1 (cd). En tales diseños, los rotadores de polarización no recíproca desempeñan un papel importante en la curvatura de la trayectoria óptica.

En comparación con un rotador polarizado recíprocamente (por ejemplo, una placa de media onda), un rotador polarizado no recíprocamente hace girar la luz polarizada linealmente independientemente de la dirección de propagación de la onda óptica, como se muestra en la Figura 2. Como resultado, la rotación circular de la dispersión directa y retrospectiva a través del rotor de polarización no recíproca da como resultado una rotación neta de 2θ.

Se realizaron experimentos preliminares utilizando una fuente láser y un panel micro-OLED para probar la eficiencia óptica y la capacidad de curvatura, como se muestra en las figuras 3 (a) y (bc). La eficiencia óptica medida es aproximadamente del 71,5 % debido a la falta de revestimiento antirreflectante (AR) utilizado y al rendimiento subóptimo del polarizador reflectante utilizado.

Después de usar el polarizador reflectante de alta potencia y el recubrimiento AR, la eficiencia óptica mejora al 93,2%, lo que se acerca a la predicción teórica. Además, este nuevo sistema óptico pancake analiza cuatro tipos de 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 rotor de Faraday para permitir pantallas a todo color.

Como se muestra en la Fig. 3 (df), tres secuencias de rotores con polarización opuesta y placas de cuarto de onda son suficientes para una respuesta espectral de banda ancha. Finalmente, en el artículo se analizarán y discutirán algunos candidatos potenciales para materiales magnetoópticos de película delgada con el fin de lograr formas verdaderamente compactas y a gran escala.

En general, estas demostraciones muestran que un nuevo sistema óptico pancake puede revolucionar las pantallas de realidad virtual y resonancia magnética de próxima generación con un peso liviano, un factor de forma compacto y un bajo consumo de energía. La necesidad de rotores Faraday de película delgada que sean no magnéticos, altamente transparentes y posean grandes constantes de Verdet en la región visible inspirará la próxima fase de materiales magnetoópticos en el futuro.