A realidade aumentada (AR), a realidade virtual (VR) e a realidade mista (MR) expandiram os horizontes perceptivos e deram início a interações humano-digitais mais profundas que transcendem os limites dos monitores de tela plana tradicionais.



Esta evolução abriu um reino de novas e excitantes possibilidades, abrangendo o metaverso, os gémeos digitais e a computação espacial, que encontraram aplicações generalizadas em diversos campos, como a educação e a formação inteligentes, os cuidados de saúde, a navegação, os jogos, o entretenimento e a produção inteligente. .

Para que os monitores AR, VR e MR se tornem verdadeiramente usáveis ​​por um longo período, há uma necessidade premente de um formato compacto e elegante, baixo peso e baixo consumo de energia. Em comparação com lentes Fresnel e lentes refrativas, a óptica dobrada baseada em polarização, muitas vezes chamada de óptica panqueca, emergiu como um avanço fundamental para headsets VR compactos e leves nos últimos anos, incluindo Apple Vision Pro e Meta Quest 3.

Essa óptica em forma de panqueca reduz bastante o volume de uma tela VR, o que por sua vez melhora o centro de gravidade do fone de ouvido. Porém, o meio-espelho empregado causa perdas ópticas consideráveis, o que limita a eficiência máxima a 25%. Portanto, os pesquisadores estão trabalhando em uma nova estrutura óptica com a mesma capacidade de dobramento que a lente panqueca, mas sem perda óptica.

Os autores de um novo artigo publicado em Opto-Electronic Advances exploraram extensivamente motores de luz, óptica de imagem e consumo de energia de monitores AR, VR e MR. Um sistema óptico de panqueca revolucionário para reduzir o volume dos displays VR e MR, mantendo uma alta eficiência, é proposto por este artigo.

A motivação por trás desta pesquisa é a crescente demanda por headsets VR/MR vestíveis que não sejam apenas visualmente impressionantes, mas também confortáveis ​​para uso prolongado. Os atuais fones de ouvido VR com óptica de panqueca convencional enfrentam desafios como baixa eficiência óptica, que por sua vez leva ao aumento do efeito térmico do fone de ouvido e à curta duração da bateria devido à tremenda perda óptica induzida pelo meio espelho.

Conforme representado na Fig. 1 (a – b), apenas cerca de 25% da luz (assumindo nenhuma outra perda) do painel de exibição atinge o olho do observador. No entanto, se o microdisplay emitir luz não polarizada, a eficiência óptica máxima será ainda mais reduzida para 12,5%. A luz não utilizada será absorvida pelos auscultadores, o que aumentaria o efeito térmico, ou tornar-se-ia luz difusa, o que degradaria a qualidade da imagem.

O novo sistema óptico de panqueca aborda esse desafio introduzindo um design teoricamente sem perdas, incorporando um rotador de polarização não recíproca, também conhecido como rotador Faraday, entre polarizadores reflexivos, como mostrado na Fig. Nesse projeto, o rotador de polarização não recíproca desempenha um papel crítico na dobragem dos caminhos ópticos.

Comparado ao rotador de polarização recíproca (por exemplo, placas de meia onda), o rotador de polarização não recíproca gira a luz polarizada linearmente, independentemente da direção de propagação da onda óptica, como mostra a Fig. 2. Consequentemente, uma viagem de ida e volta de propagações para frente e para trás através do rotador de polarização não recíproca resulta em uma rotação líquida de 2θ.

Experimentos preliminares foram conduzidos com uma fonte de laser e um painel micro-OLED para verificar sua eficiência óptica e capacidade de dobramento, conforme mostrado na Figura 3 (a) e (b – c), respectivamente. A eficiência óptica medida é de cerca de 71,5% devido à falta de revestimento anti-reflexo (AR) e ao desempenho não ideal dos polarizadores reflexivos empregados.

Depois de usar polarizadores reflexivos de alto desempenho e revestimento AR, a eficiência óptica foi melhorada para 93,2%, o que se aproxima da previsão teórica. Além disso, quatro tipos de possíveis imagens fantasmas são analisados ​​neste novo sistema óptico de panqueca. Através da identificação da causa raiz destas imagens fantasmas, novos métodos são propostos para melhorar a relação de contraste da imagem. Além disso, uma estrutura multicamadas é proposta para ampliar a largura de banda do rotador Faraday para permitir exibições coloridas.

Conforme indicado na Figura 3 (d – f), três sequências de rotadores de polarização não recíprocos e placas de quarto de onda são adequadas para obter uma resposta espectral de banda larga. Finalmente, para obter um grande campo de visão e um formato verdadeiramente compacto, alguns possíveis candidatos de material magneto-óptico de filme fino são analisados ​​e discutidos no artigo.

No geral, essas demonstrações mostram o potencial de que um novo sistema óptico tipo panqueca possa revolucionar a próxima geração de monitores VR e MR com formato leve, compacto e baixo consumo de energia. Espera-se que a necessidade premente de um rotador Faraday de filme fino que seja livre de ímãs e altamente transparente, embora possua uma grande constante de Verdet na região visível, inspire o próximo desenvolvimento de material magneto-óptico no futuro.

Mais informações: Yuqiang Ding et al, Quebrando o limite de eficiência óptica da realidade virtual com um rotador de polarização não recíproca, Opto-Electronic Advances (2024). DOI:10.29026/oea.2024.230178
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