Uma equipe de pesquisadores no Universidade de Melbourne desenvolveu um protótipo de baixo custo de um combinador de guia de ondas geométrico baseado em líquido para aplicações de realidade aumentada (AR). O dispositivo substitui as etapas de fabricação complexas usadas em combinadores ópticos convencionais, integrando óleo de silicone e PolyJet Impressão 3D em um método de produção simplificado. O trabalho foi publicado em um diário por Springer Nature.
Os guias de onda geométricos são componentes-chave em exibições de olho próximo, permitindo que o conteúdo digital seja sobreposto opticamente ao mundo actual. Os métodos tradicionais de fabricação envolvem cubos, ligação de camadas e polimento de substratos de vidro empilhados com revestimentos reflexivos, os quais requerem alta precisão e trabalho significativo. O guia de ondas líquido desenvolvido pela equipe de Melbourne evita essas etapas inteiramente, vedando uma estrutura impressa em 3D cheia de óleo de silicone entre os óculos de capa, com refletores dielétricos inseridos em slots predefinidos.
As dimensões do protótipo medem 38 mm de comprimento, 28,5 mm de largura e 3,2 mm de espessura. Um prisma triangular com um ângulo inclinado de 50 ° é usado para acoplar a luz no guia de ondas, enquanto três refletores dielétricos paralelos, espaçados 2,024 mm de distância e angulares a 25 ° em relação à base, redirecionam a luz em direção ao espectador. Essas características estruturais foram otimizadas usando Comsol Multiphysics com o módulo de óptica de raio de elemento finito. A simulação óptica confirmou que a reflexão interna complete mantinha a eficiência da transmissão de luz, com uma imagem de quadro -dicas projetada através de uma lente de colimação e reconstruída em uma retina simulada.
Stratasysum fabricante de impressoras 3D industriais, forneceu a plataforma PolyJet usada na fabricação. Os pesquisadores usaram seu Sistema J826 com transparente Resina RGD810 e solúvel em água SUP707 Materials de suporte. Um filme fino de etileno propileno fluorizado ou vidro plano foi aplicado na cama impressa para garantir um acabamento suave. Os slots para inserção refletor foram impressos em larguras variando de 165 µm a 200 µm, com 180 µM determinados como ideais para o alinhamento. Os refletores impressos tinham 175 µm de espessura. Os orifícios de ventilação de 0,5 mm de diâmetro foram incorporados para auxiliar a injeção de óleo de silicone e o deslocamento do ar durante a montagem.
Os filtros dielétricos de passa -banda foram inseridos usando uma pinça de precisão sob um microscópio. O paralelismo entre os refletores foi inspecionado visualmente usando reflexões da luz do teto, e as medições de distância foram realizadas em vários pontos usando um estágio de microscópio com resolução de 1 µm. Embora esse processo seja demorado, os pesquisadores propõem omitir a inspeção nos estágios iniciais e substituí-lo por técnicas de inspeção visible. Métodos de alinhamento mais precisos, como autocolimadores a laser ou interferômetros de Fizeau, foram conhecidos como áreas para melhorias futuras.
A estrutura foi selada com três peças de vidro de tampa de 0,1 mm de espessura, limpas pelo plasma e ligadas ao epóxi UV sob pressão controlada. Após a vedação, o óleo de silicone com uma viscosidade de 20 CST foi injetado no guia de ondas a uma taxa de fluxo de 0,2 ml/min usando uma agulha de calibre 27 e uma bomba de seringa. A resina UV foi aplicada para selar o orifício de ventilação. O óleo, escolhido para sua estabilidade térmica e química, possui um índice de refração de 1,41 e exibe apenas uma alteração de 0,28 ° no ângulo crítico em uma faixa de temperatura de 20 ° C.
A caracterização óptica foi realizada usando um microscópio hiperespectral de citoviva. As taxas de transmitância do refletor mostraram uma queda de 3% no espectro visível de 400 a 700 nm na incidência de 0 ° e uma redução de 2% em média a 25 °. A rugosidade da superfície foi medida usando um microscópio de força atômica do ícone de dimensão Bruker, com valores de rugosidade quadrada média da raiz (RQ) de 1,4 nm para refletores e 1,3 nm para o vidro de cobertura. O desempenho da função de transferência de modulação (MTF) foi avaliado em 15 ciclos por grau, mostrando 70% de retenção no modo transparente e 24% no modo de imagem digital.
Os campos de visão horizontais e verticais foram medidos a 19,52 ° e 12,56 °, respectivamente, projetando -se em uma placa alvo colocada 25 cm do plano da pupila ocular. Devido ao uso de apenas três refletores, a caixa de olhos foi limitada a aproximadamente 1 mm horizontalmente e 2 mm verticalmente. Os pesquisadores observam que aumentar o número de refletores pode expandir a caixa de olhos e o FOV, mas resultaria em maiores perdas ópticas e maior consumo de energia.
As medições de eficiência de reflexão foram realizadas indiretamente em uma câmara escura usando um sensor Monocromo CMOS. A equipe comparou a saída de luz authentic do projetor com a luz redirecionada do guia de ondas. As eficiências registradas foram de 4,48% a 460 nm, 4,49% a 515 nm e 4,56% a 625 nm.
A assembléia handbook representou desafios ao cortar e inserir com precisão os refletores sem danos. Embora intensiva em mão-de-obra, o atual processo de montagem permite iterações de prototipagem rápida. O processo completo inclui aproximadamente 3 horas de impressão 3D, 2 horas de pós-processamento e 4 horas de montagem handbook. O custo complete do materials foi calculado em US $ 18, incluindo US $ 12 para refletores, US $ 3,30 para uso de equipamentos, US $ 1,10 para resina, US $ 0,70 para óleo de silicone e US $ 0,60 para óculos de cobertura.
Para abordar a expansão térmica do meio líquido – estimado a 900 ppm/° C – o design inclui bolsos de ar opcionais para evitar o acúmulo de pressão. Essas bolhas aumentam para o topo e podem ser ocultas na região selada superior. Líquidos transparentes de alto índice mais caros, como óleos de imersão em microscópio, foram discutidos como alternativas, mas considerados proibitivos de custo para prototipagem.
O desempenho do guia de ondas também pode ser limitado pela escolha do sistema de projeção. A equipe usou um projetor LCOS padrão, que pode não estar alinhado de maneira best com o native do aluno do prisma, reduzindo potencialmente a caixa de olhos eficaz. Os projetores personalizados foram propostos para desenvolvimento futuro.
Ficontecuma empresa alemã de automação de fotônicas, colaborou com a equipe para desenvolver um sistema de montagem de guia de ondas personalizado. O aparelho integra um sistema de pórtico, os selecionadores de refletores de pressão, uma plataforma de preparação de cola de UV e sistemas de imagem de alta resolução para o alinhamento. Sua avaliação atual visa apoiar a produção escalável de guias de ondas com base no método patenteado da equipe.
Os autores selecionaram o vidro como materials de vedação da câmara para simplificar, observando uma taxa de transmitância estável de 93%. Eles recomendam a Sapphire como uma possível substituição futura devido à sua dureza e resistência a arranhões. Melhorias adicionais podem incluir revestimentos anti-reflexivos, como MGF₂ ou TiO₂/SiO₂, para reduzir as perdas de reflexão em ângulos de visualização mais amplos.
Os pesquisadores envolvidos no projeto são afiliados ao Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Melbourneo Laboratório de Dinâmica Neural no Departamento de Medicinae KDH Pesquisa Avançada Pty Ltd.
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A imagem em destaque mostra o desempenho óptico do guia de ondas fabricado. Imagem by way of Springer Nature.