La nueva óptica Pancake transforma las pantallas VR y MR de próxima generación

Una nueva publicación en Opto-Electronic Advances, 10.29026/oea.2024.230178, describe una revolución en las pantallas de realidad virtual y resonancia magnética de próxima generación con nuevas ópticas tipo panqueque.

La realidad aumentada (AR), la realidad virtual (VR) y la realidad mixta (MR) han ampliado nuestra percepción, han superado los límites de las pantallas planas tradicionales y han profundizado la interacción humano-digital. Esta evolución ha abierto una gama de nuevas e interesantes posibilidades, incluidos metamundos, gemelos digitales y computación espacial, que han encontrado aplicaciones generalizadas en campos tan diversos como la educación inteligente, la formación, la atención sanitaria, la navegación, los juegos, el entretenimiento y la fabricación inteligente. . .

Para que las pantallas AR, VR y MR se puedan usar durante mucho tiempo, son esenciales un factor de forma compacto y elegante, peso ligero y bajo consumo de energía. 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. La óptica Pancake reduce significativamente el volumen de la pantalla de realidad virtual, lo que mejora el centro de gravedad del auricular. Sin embargo, el semiespejo utilizado provoca una gran pérdida óptica, lo que limita la eficiencia máxima al 25%. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de nuevas estructuras ópticas que puedan plegarse como lentes tipo panqueque y no tener pérdida óptica.

Los autores de este artículo han estudiado cuidadosamente el motor de luz, 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 tradicional enfrentan desafíos como una baja eficiencia óptica, que aumenta el impacto 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(ab), sólo 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 cae al 12,5%. Los auriculares absorberán la luz no utilizada, lo que aumentará el efecto térmico o se convertirá en luz dispersa, degradando la calidad de la imagen.

El nuevo sistema óptico tipo panqueque resuelve este desafío introduciendo un diseño teóricamente sin pérdidas que incluye un rotador de polarización recíproca, conocido como rotador de Faraday, entre los polarizadores reflectantes que se muestran en la Figura 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 de polarización recíproca (p. ej., una placa de media onda), un rotador de polarización no recíproca 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 de la propagación hacia adelante y hacia atrás a través del girador de polarización no recíproca da como resultado una rotación neta de 2θ.

Se llevaron a cabo experimentos preliminares utilizando una fuente láser y un panel micro-OLED para investigar la eficiencia óptica y la capacidad de curvatura que se muestran en las figuras 3 (a) y (bc). La eficiencia óptica medida aproximada es de alrededor del 71,5% debido a la ausencia de un revestimiento antirreflectante (AR) y al rendimiento insuficiente 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 rotadores de polarización alterna 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. Además, 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 etapa de materiales magnetoópticos en el futuro.

Palabras clave: visualización de ojo cercano / realidad virtual / óptica tipo panqueque / óptica plegada / rotador de polarización variable