Was ist ein Waveguide Display: Wie es funktioniert, Typen und mehr

Intelligente Brillen zielen darauf ab, digitale Informationen in das alltägliche Sehen zu integrieren, aber sperrige Displays und schlechter Tragekomfort haben sie bisher zurückgehalten. Dies ist größtenteils ein Problem der Display-Technologie. Die Waveguide-Technologie löst dieses Problem, indem sie das Licht durch ultradünne Optiken leitet und uns klare Bilder in leichten, tragbaren Designs liefert. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Wellenleiter funktionieren und warum Waveguide-Gläser definieren die Zukunft der intelligenten Displays neu. Los geht’s!

1. 1. Was ist ein Waveguide Display?
   2. Arbeitsprinzip der Wellenleitertechnologie
   3. Arten von Wellenleitern
   4. Zukünftige Entwicklungen von Waveguide Display
   5. UPRtek sorgt für präzise Qualitätskontrolle bei Waveguide-Display-Lösung

Was ist ein Waveguide Display?

A Waveguide-Anzeige, oder Lichtwellenleiter-Display, ist eine dünne, transparente optische Schicht aus Glas oder Kunststoff, die das Licht von einem winzigen Projektor auf Ihre Augen lenkt. Es ist eine Art von Nahdistanz-Display (NED) das es intelligenten Brillen ermöglicht, digitale Bilder zu zeigen, während Sie gleichzeitig die reale Welt klar sehen können.

Waveguide-Displays sind die Kerntechnologie, die die Augmented Reality (AR) Brillen um digitale Inhalte mit dem alltäglichen Sehen zu verbinden. Anders als bei VR-Headsets, die Ihre Umgebung ausblenden, bleibt die Linse bei Waveguides transparent, so dass die reale Welt und die virtuellen Informationen zusammen erscheinen.

Wo Waveguide-Displays verwendet werden

In der Unterhaltungselektronik treiben sie smarte Brillen an, die Navigationshinweise, Benachrichtigungen und KI-unterstützte Informationen liefern, ohne dabei den Formfaktor zu verlieren und tragbar zu sein. In Unternehmen und in der Industrie unterstützen wellenleiterbasierte AR-Brillen freihändige Arbeitsabläufe. Sie bieten Anweisungen in Echtzeit, Expertenhilfe aus der Ferne und Trainings-Overlays, die die Effizienz steigern und Fehler reduzieren.

In der Luftfahrt und im Verteidigungsbereich ermöglicht die Waveguide-Technologie Heads-up-Displays, die wichtige Flug- oder Situationsdaten direkt in das Sichtfeld des Benutzers projizieren, so dass sich Piloten und Bediener auf ihre Umgebung konzentrieren können. Auch das Gesundheitswesen und die Bildung profitieren von Waveguides, indem sie transparente Displays zur Anleitung chirurgischer Eingriffe, zur Visualisierung der Anatomie oder zur Verbesserung des Lernens durch interaktive Overlays verwenden.

In all diesen Bereichen, Waveguide-Displays den gleichen Kernvorteil: klare digitale Informationen, die nahtlos in die reale Welt integriert sind.

Vorteile von Waveguide Display

Waveguide-Displays zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehrere technische und benutzerfreundliche Herausforderungen gleichzeitig lösen, weshalb sie zur bevorzugten Display-Lösung für moderne AR-Brillen geworden sind.

Einer der größten Vorteile ist die die Miniaturisierung. Indem sie das Licht durch die Linse selbst leiten, machen Waveguides große, nach vorne gerichtete Displays oder dicke optische Stacks überflüssig. Dies ermöglicht es den Herstellern, die Lichteinheit diskret im Rahmen zu platzieren. Das Ergebnis sind intelligente Brillen, die eher einer Alltagsbrille ähneln als klobigen Headsets.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist hohe Transparenz und visueller Komfort. Hochentwickelte Wellenleitermaterialien lassen das meiste natürliche Licht durch die Linse hindurch, so dass der Benutzer seine Umgebung klar und ungehindert sehen kann. Dies ist besonders wichtig für die Sicherheit und das langfristige Tragen, da die Augen nicht ständig zwischen einem hellen Bildschirm und der realen Welt wechseln müssen.

Waveguides unterstützen auch ein breites und stabiles Seherlebnis. Durch Techniken wie die Erweiterung der Austrittspupille kann das projizierte Bild über einen größeren Bereich des Objektivs verteilt werden. Das bedeutet, dass das Bild auch dann sichtbar bleibt, wenn die Brille leicht auf dem Gesicht verrutscht. Dies verbessert die Benutzerfreundlichkeit für unterschiedliche Nutzer und verringert die Belastung der Augen bei längerem Gebrauch.

Vom Standpunkt des Designs und der Benutzerfreundlichkeit, Gewichtsverteilung und Ergonomie sind eine weitere große Stärke. Da die Waveguide-Linsen dünn und leicht sind, fühlt sich das Gerät insgesamt ausgewogener an. Durch den geringeren Druck auf Nase und Ohren ist eine Waveguide-Brille für den ganzen Tag bequemer, von der Arbeitsumgebung bis zum täglichen Gebrauch.

Arbeitsprinzip der Wellenleitertechnologie

Das Herzstück des Waveguides ist eine Kombination aus präziser Optik und kontrollierter Lichtreflexion, um das „Durchsichtigkeits“-Erlebnis zu schaffen, das Augmented-Reality-Brillen auszeichnet.

Lichterzeugung und Injektion

Der Prozess beginnt mit dem Lichtmaschine, ein sehr kleines Display, das normalerweise im Bügel der Brille verborgen ist. Diese Komponente erzeugt das digitale Bild mithilfe fortschrittlicher Mikro-Display-Technologien wie Micro-OLED oder MicroLED.

Anstatt das Bild wie bei einem Bildschirm direkt in Ihre Augen zu leuchten, sendet die Light Engine das Bild in sorgfältig berechneten Winkeln seitlich in den Rand des Objektivs. Dieser Schritt ist entscheidend, denn nur Licht, das im rechten Winkel eintritt, kann den Wellenleiter korrekt durchlaufen.

Leitendes Licht im Inneren des Objektivs

Sobald das Licht in die Wellenleiterlinsefunktioniert das Objektiv wie ein klarer, interner Weg für das Bild. Winzige, in die Linse eingebettete optische Elemente fangen das einfallende Licht zunächst ein, lenken es dann über das Glas und lenken es schließlich genau an der richtigen Stelle nach außen auf Ihre Augen. Dieser sorgfältig kontrollierte Prozess sorgt dafür, dass das Bild stabil und korrekt in Ihrem Blickfeld positioniert erscheint.

Gleichzeitig bleibt das Objektiv transparent. Das Umgebungslicht aus der realen Welt dringt direkt durch den Waveguide, so dass Ihre Umgebung sichtbar und natürlich bleibt, während die digitalen Inhalte wie eine sanfte Überlagerung erscheinen.

Dieses Verhalten beruht auf einem physikalischen Prinzip namens totale interne Reflexion (TIR). Da das Material des Wellenleiters einen höheren Brechungsindex als Luft hat, kann das Licht, das in den Wellenleiter eintritt, in das Innere des Glases geleitet werden, anstatt zu entweichen.

Damit es zu einer Totalreflexion kommt, muss das Licht in einem Winkel auf die innere Oberfläche treffen, der größer ist als der kritischen Winkel. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird das Licht vollständig in den Wellenleiter zurückreflektiert, so dass es sich effizient durch das Objektiv zum Betrachter ausbreiten kann.

Diese wiederholten internen Reflexionen sorgen dafür, dass das Bild innerhalb der Linse gehalten wird, so dass es effizient von der Lichtquelle zu Ihren Augen gelangen kann, ohne dass es zu einem merklichen Verlust an Helligkeit oder Klarheit kommt.

Warum optisches Glas wichtig ist

Die Qualität der Waveguide-Linse spielt eine große Rolle dabei, wie gut das Bild aussieht. Hochwertiges optisches Glas ermöglicht eine präzisere Steuerung des Lichts, was zu einem größeren Sichtfeld und einem schärferen Bild führt. Außerdem können dünnere und leichtere Brillengläser entwickelt werden, die den Tragekomfort verbessern und intelligente Brillen für das langfristige Tragen praktisch machen. Schlechte Glasqualität kann Farben verzerren, Bilder verschwimmen lassen oder die Transparenz verringern. Daher sind fortschrittliche optische Materialien für ein natürliches AR-Erlebnis unerlässlich.

Arten von Wellenleitern

Waveguide-Displays werden im Allgemeinen in drei Haupttypen unterteilt: Geometrisch-reflektierend, Diffraktivund Holographisch Wellenleiter, basierend auf der Art und Weise, wie sie das Licht in die Linse leiten und dann auf das menschliche Auge lenken. Alle basieren auf TIR, um Licht durch eine transparente Linse zu leiten, aber sie unterscheiden sich in Struktur, Leistung und Herstellungsweise.

Geometrische reflektierende Wellenleiter

Geometrische reflektierende Wellenleiter leiten das Licht mit Hilfe einer Reihe von winzigen, halbtransparenten Spiegeln, die im Inneren der Linse gestapelt sind. Wegen dieser Spiegel-„Anordnung“ werden sie oft als Array-Hohlleiter.

Das Licht eines Mikroprojektors tritt in das Objektiv ein und wird mithilfe von TIR durch das Objektiv geleitet. Auf dem Weg dorthin trifft es auf diese Spiegel, die nach und nach Teile des Bildes zum Auge reflektieren. So entsteht ein stabiles Bild, das auch dann sichtbar bleibt, wenn sich Ihre Augenposition leicht verschiebt.

Der größte Vorteil dieses Ansatzes ist die hervorragende Bildqualität. Da es auf Reflexion und nicht auf Beugung beruht, bleiben die Farben sauber und gleichmäßig. Die Spiegel sind außerdem für andere nahezu unsichtbar, so dass die Brille beim Tragen sehr natürlich aussieht.

Der Nachteil ist die Komplexität der Herstellung. Diese Linsen erfordern präzises Schleifen, Polieren und Verkleben mehrerer Glasschichten, was die Kosten und die Dicke erhöht, insbesondere bei größeren Sichtfeldern.

Diffraktive Wellenleiter

Diffraktive Wellenleiter sind derzeit der am häufigsten verwendete Typ in fortschrittlichen AR-Headsets. Anstelle von Spiegeln setzen sie auf Rillen im Nanomaßstab die auf die Linsenoberfläche geätzt oder aufgedruckt sind, bekannt als Oberflächenreliefgitter.

Diese winzigen Strukturen biegen das Licht in präzisen Winkeln, leiten es durch die Linse und geben es dann in Richtung Auge wieder frei. Da diese Muster mit halbleiterähnlichen Verfahren in Massenproduktion hergestellt werden können, eignen sich diffraktive Wellenleiter gut für die Herstellung in großem Maßstab.

Sie sind in der Lage zu unterstützen sehr weite SichtfelderDadurch sind sie ideal für immersive AR-Erlebnisse. Die Beugung des Lichts durch Beugung führt jedoch auch zu einer Farbtrennung, die sichtbare Regenbogeneffekte verursachen kann. Sie sind auch weniger lichteffizient, was bedeutet, dass ein Großteil des ursprünglichen Lichts das Auge nicht erreicht.

Holographische Wellenleiter

Holographische Wellenleiter verfolgen einen anderen Ansatz, indem sie holographische Muster direkt in das Linsenmaterial einbetten. Diese als holografische optische Elemente bezeichneten Muster werden mit Hilfe von Laserinterferenz erzeugt und ermöglichen eine präzise Steuerung der Lichtausbreitung innerhalb des Wellenleiters.

Da die optischen Strukturen im Inneren des Materials aufgezeichnet und nicht auf der Oberfläche gebildet werden, haben holografische Wellenleiter das Potenzial, dünner und leichter als andere Designs zu sein. Bei kontrollierten Prototypen können sie auch die oberflächenbedingte Streuung reduzieren und erscheinen bei Betrachtung von außen sehr klar.

Einige holografische Systeme sind aktiv abstimmbar, d.h. ihr optisches Verhalten kann elektrisch eingestellt werden. Das macht sie attraktiv für fortschrittliche Forschungsfunktionen wie Eye-Tracking oder einstellbaren Fokus. Unter den derzeitigen industriellen Bedingungen sind die meisten holografischen Wellenleiter jedoch immer noch auf den ein- oder zweifarbigen Betrieb beschränkt. Die Erstellung von Vollfarbbildern erfordert oft das Stapeln mehrerer holografischer Schichten, was die Lichteffizienz verringert und eine präzise Ausrichtung und eine ertragreiche Herstellung erschwert.

Daher bieten aktuelle holografische Wellenleiter im Vergleich zu ausgereiften diffraktiven Designs oft kleinere Sichtfelder und eine geringere Gesamtbildschärfe. Obwohl die Technologie sehr vielversprechend ist, werden holografische Wellenleiter im Allgemeinen als längerfristige Lösung und nicht als kurzfristige Option für den Mainstream angesehen.

Stellen Sie sich die drei Arten wie verschiedene Möglichkeiten vor, Wasser in ein durchsichtiges Rohr umzuleiten. Geometrisch bedeutet, dass eine Reihe von winzigen Glasklappen (Spiegeln) Teile des Wassers physisch in Richtung Ausgang drücken. Diffraktion bedeutet, dass Tausende von mikroskopisch kleinen Rillen auf der Rohroberfläche das Wasser auffangen und in einem bestimmten Winkel herausspritzen. Holografie ist so, als würde man die Dichte des Wassers selbst an bestimmten Stellen verändern, so dass es sich natürlich wölbt und dort austritt, wo Sie es haben wollen.

Zukünftige Entwicklungen von Waveguide Display

Die Zukunft der Waveguide-Technologie besteht darin, AR-Brillen so natürlich, bequem und erschwinglich wie normale Brillen zu machen. Forscher und Hersteller arbeiten daran, die optischen Herausforderungen von heute zu lösen und gleichzeitig die Produktion für den täglichen Gebrauch zu skalieren. Die wichtigsten Fortschritte sind in diesen Schlüsselbereichen zu verzeichnen:

Erweitern des Sichtfelds (FOV)

Ein breiter Blickwinkel lässt digitale Inhalte realistischer und eindringlicher wirken. Aktuelle Wellenleiter sind jedoch teilweise durch Material- und Designbeschränkungen begrenzt. Hochentwickelte Substrate und neuartige Kopplerdesigns (wie Meta-Oberflächen und Polarisationsvolumengitter) verbessern die Lichtführung und -verteilung und tragen so zu größeren FOVs und einer besseren Gleichmäßigkeit bei.

Auch die verbesserten optischen Kombinatoren, einschließlich der in der jüngsten Literatur beschriebenen, betonen die Erweiterung der Austrittspupille und neue nano-optische Strukturen, um gleichzeitig ein breites Sichtfeld, hohe Helligkeit und kompakte Formfaktoren zu erreichen.

Bessere Farben und klarere Bilder

Ein wichtiges Ziel für künftige Waveguide-Displays ist die Verbesserung der gesamten Bildqualität, einschließlich Farbgenauigkeit, Helligkeitsgleichmäßigkeit und Bildklarheit. Auch heute noch zeigen einige wellenleiterbasierte Displays visuelle Artefakte wie Farbsäume, die oft als Regenbogeneffekt bezeichnet werden. Diese Probleme werden nicht durch den Wellenleiter allein verursacht, sondern durch die kombinierte Leistung mehrerer optischer Komponenten.

Zu den wichtigen Faktoren gehören das Gitterprofil, das sich darauf auswirkt, wie effizient das Licht geleitet und extrahiert wird, sowie die Metallschichten, die die Helligkeit und Farbbalance beeinflussen können. Kantenschwärzungen werden auch eingesetzt, um Streulicht zu reduzieren und so den Kontrast und die Bildschärfe zu verbessern. Neben dem Waveguide selbst hängt die Gesamtbildqualität davon ab, wie gut der Waveguide mit dem Projektor und der Light Engine zusammenarbeitet.

Die Wahl der Lichtquelle spielt eine wichtige Rolle für die Bildqualität. Laserbasierte Lichtquellen können Flecken verursachen. Diese erscheinen als feine, kornartige Helligkeitsschwankungen, die durch die hohe Kohärenz des Laserlichts verursacht werden. Speckle beeinträchtigt die Gleichmäßigkeit des Bildes und kann dazu führen, dass das Display weniger glatt aussieht.

Bei Wellenleiter-Displays ist Speckle im Bereich des Auskopplers am auffälligsten, wo der Betrachter unregelmäßige helle und dunkle Flecken sehen kann, die manchmal ein schwaches gitterartiges Muster bilden. Diese Fleckenmuster erscheinen oft in einer anderen Brennebene als das Hauptbild, typischerweise näher am Auge des Betrachters, was die Bildklarheit und den Sehkomfort beeinträchtigen kann.

Um Speckle objektiv zu bewerten, wird es in der Regel anhand von Metriken wie Luminanzgleichmäßigkeit und Kontrast quantifiziert. So können Designer beurteilen, wie stark Speckle das angezeigte Bild beeinflusst. Andere Lichtquellen, wie z. B. Mikro-LEDs, haben eine geringere Kohärenz und können erheblich dazu beitragen, Speckle-Artefakte zu reduzieren.

Durch die Optimierung der Lichtquelle, des Wellenleiterdesigns und des Herstellungsprozesses können zukünftige Systeme sauberere Bilder, einheitlichere Farben und einen besseren Sehkomfort erzielen.

Niedrigere Kosten und Massenproduktion

Derzeit sind Wellenleiter-Displays noch teuer in der Herstellung, und die Produktionsausbeute ist relativ gering. Diese Faktoren machen es für wellenleiterbasierte AR-Brillen schwierig, den normalen Verbraucher zu erreichen. Bei der Entwicklung von Wellenleitern muss auch ein Kompromiss zwischen optischer Effizienz und Farbgleichmäßigkeit gefunden werden. Im Allgemeinen erfordern Designs, die eine bessere Bildqualität bieten, komplexere und kostspieligere Herstellungsprozesse.

Geätzte Wellenleiter können zum Beispiel hellere Bilder und konsistentere Farben liefern, aber sie sind derzeit teurer als Alternativen wie die Nanoimprint-Lithographie (NIL). Geätzte Wellenleiter haben jedoch ein großes Potenzial für Kostensenkungen, wenn die Produktion gesteigert wird.

Wenn die Fertigung sehr große Mengen erreicht, in der Größenordnung von Millionen von Einheiten, kann der Kostenunterschied zwischen geätzten Wellenleitern und NIL deutlich reduziert werden. Es wird erwartet, dass Wellenleiter-Displays mit zunehmender Reife und Skalierbarkeit der Herstellungsverfahren erschwinglicher werden und gleichzeitig eine hohe visuelle Qualität beibehalten.

Die 3D-Komfort-Herausforderung lösen

Eine der größten Hürden für die Einführung von AR ist der visuelle Komfort. Herkömmliche Wellenleiter zeigen virtuelle Bilder in einer festen Tiefe an und tragen damit zur Vergenz-Akkommodations-Konflikt (VAC), bei dem die Fokussierungs- und Konvergenzhinweise der Augen nicht übereinstimmen.

Zukünftige Wellenleiter zielen auf variablen Fokus Systeme, die virtuelle Objekte näher oder weiter weg erscheinen lassen, um die Augen zu entlasten und ein natürlicheres Seherlebnis zu schaffen. Forschung über holographische Wellenleiter geht einen Schritt weiter und demonstriert die Kombination von Wellenleiteroptiken mit holografischen Displays (unter Verwendung von räumlichen Lichtmodulatoren), um die Ausgangswellenfront für echte 3D-Darstellungen mit Tiefeninformationen und Augenparallaxe zu steuern und so möglicherweise direkt auf VAC zu reagieren.

UPRtek sorgt für präzise Qualitätskontrolle bei Waveguide-Display-Lösung

Waveguide-Displays definieren neu, wie sich digitale Informationen in unser alltägliches Sehen einfügen und machen AR-Brillen leichter, klarer und tragbarer als je zuvor. Mit der Weiterentwicklung der Wellenleitertechnologie in Bezug auf geometrische, diffraktive und holografische Designs wird eine Sache immer wichtiger: Präzise Kontrolle der Lichtqualität.

Wichtige optische Eigenschaften, wie z.B. Farbgenauigkeit, spektrale Stabilität und Gleichmäßigkeit der Leuchtdichtehaben einen direkten Einfluss auf die wahrgenommene Bildqualität und den langfristigen Sehkomfort. Eine genaue Spektral- und Leuchtdichtemessung ist daher für die Validierung der Leistung von Wellenleitern unerlässlich, und zwar nicht nur in der frühen Phase des optischen Designs, sondern auch während der Prozessoptimierung und Produktionsskalierung.

Für Teams, die wellenleiterbasierte augennahe Displays entwickeln oder herstellen, bietet die optische Messtechnik eine gemeinsame Referenz zwischen Designabsicht und messbarer Leistung. UPRtek unterstützt diesen Prozess durch anpassbare Lösungen zur Spektral- und Leuchtdichtemessung zugeschnitten auf die einzigartigen Anforderungen von Wellenleiteroptiken und augennahen Displaysystemen. Diese Tools helfen Ingenieuren bei der Charakterisierung von Farbleistung, Helligkeitskonsistenz und Stabilität auf Systemebene unter realistischen Betriebsbedingungen.

Wenn Sie mehr über praktische Messüberlegungen für Waveguide-Displays erfahren möchten, nehmen Sie Kontakt mit unserem Team auf um messtechnische Ansätze zu besprechen, die auf Ihre spezifische optische Architektur abgestimmt sind.

Andere Stellen:

• Techniken der Proteinanalyse: Eine neue Ära der Detektion und Quantifizierung
• Was ist ein bildgebendes Kolorimeter? Anwendungen & Eigenschaften
• Human Centric Lighting für Büroräume: Auswirkungen, Vorteile und System
• Was ist Human Centric Lighting? Entwicklung, Anwendungen und Lösungen
• Western Blot Imaging System: Welches Gerät wird für Western Blot verwendet?