Использование нетрадиционной оптики в средствах дополненной и виртуальной реальности

Использование нетрадиционной оптики в средствах дополненной и виртуальной реальности

Выпуск 11(6685) от 06 июня 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Перспективы коммерциализации технологий дополненной и виртуальной реальности (AR/VR) уже давно кажутся очевидными. Почти три десятилетия прошло с тех пор, как Sega Corporation представила игровую гарнитуру Sega VR, ставшую одной из первых в своем роде. Однако, несмотря на энтузиазм в отношении систем и приборов AR/VR почти во всех секторах потребления, прогресс в данной области не очевиден. Военные применения далеко перегнали гражданские. В качестве мер исправления ситуации предлагаются различные подходы, и один из них – использование нетрадиционной оптики.

Разработчики технологий дополненной и виртуальной реальности ориентируются прежде всего на потребительские рынки и пытаются решить стоящие перед ними проблемы с помощью оптики свободной формы и предконкурентных исследований. Несмотря на энтузиазм в отношении AR/VR-приборов практически во всех секторах конечного потребления, включая сферу здравоохранения и производство игровых систем, по-прежнему существует большое число нерешенных проблем. Развитие и внедрение технологий AR/VR затянулось из-за ряда причин. С технической точки зрения многие из оптоэлектронных компонентов только начинают входить в стадию зрелости и миниатюризации, а системы с применением этих компонентов должны собираться в гибком формате, с учетом различных вариантов строения человеческих лиц, межзрачковых расстояний и допусков для громоздких головных уборов. Кроме того, гарнитуры AR/VR могут вызвать головные боли, головокружение и тошноту – этим, в частности, объяснялся коммерческий провал приборов виртуальной реальности фирмы Sega.


ПРОТИВОРЕЧИВЫЕ МНЕНИЯ

За последние 30 лет технологические разработки в целом следовали «закону Мура»: процессоры увеличивали свое быстродействие, уменьшаясь при этом в размерах, как и основные электронные компоненты. При этом «умные очки» и гарнитуры для AR/VR в целом внешне не менялись. Одна из проблем заключается в том, что объективы не подчиняются «закону Мура». Фокусировка головных дисплеев остается сложной задачей – в частности, речь идет о конфликте конвергенции и аккомодации глаз (vergence-accommodation conflict, VAC).

Обычно, когда человек смотрит на что-то, его глаза сходятся на объекте и мышцы глаз изменяют форму хрусталика, чтобы сфокусироваться на данном объекте. Однако в виртуальных средах, создаваемых наголовными дисплеями, человеческие глаза вынуждены рассматривать плоский двумерный экран, находящийся на фиксированном расстоянии от лица, пытаясь при этом сфокусироваться на объектах, расположенных на разных планах виртуального изображения. Конфликт между образом, который пытается распознать человек, и образом, формируемым техническими средствами, может привести к напряжению глаз, усталости и головокружению. До 40% потребителей начинают испытывать болезненные ощущения, связанные с виртуальной реальностью, что заставляет их сокращать время ношения наголовных дисплеев. Решить проблему конфликта аккомодации и конвергенции в стереоскопических дисплеях можно путем предоставления пользователям соответствующих сигналов фокусировки для каждого глаза на различных фокусных глубинах.

Существует как минимум с десяток способов преодоления VAC. С точки зрения подходов к мультиплексированию их можно разбить на две категории:

подходы, использующие статистический или пространственный метод;

подходы, использующие динамические методы или методы с временным разделением.

Мультиплексирование позволяет разделить изображение так, чтобы оно отображалось в правильной фокальной плоскости для каждого глаза. С инженерной точки зрения решение проблемы VAC для систем AR/VR, предлагающих широкое поле зрения, по-прежнему затруднено. Потребитель ожидает, что платформы пространственных вычислений следующего поколения будут компактными, однако для преодоления VAC может потребоваться использование сложной оптики и иного аппаратного обеспечения. Также отмечается, что многие варианты, предлагаемые для преодоления VAC, порождают больше проблем, связанных с человеческим фактором, чем решают. Речь идет о весе приборов, их размере, обеспечиваемой яркости и прозрачности, а также качестве изображения. Фирма North сумела добиться прогресса за счет выпуска очков Focal для приборов дополненной реальности. Эти очки подключаются к смартфону пользователя и отражают разнообразную информацию, включая текстовые сообщения, уведомления о планируемых встречах и пошаговые инструкции. Подчеркивается, что представленные пользователям очки были разработаны в 2018 г. специалистами данной фирмы.


ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ПОДХОД

В феврале 2019 г. на конференции Photonics West, проводимой Международным обществом оптики и фотоники (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, SPIE), специалисты Колледжа оптики и фотоники Университета Центральной Флориды (США) продемонстрировали новое решение для преодоления VAC. Оно основано на использовании бифокальных фазовых линз Панхаратнама–Берри и модулятора пространственной поляризации для выполнения мультиплексирования. Линзы формируют одновременно несколько фокальных плоскостей, в то время как пространственный модулятор подает на каждый глаз изображение в правильной фокальной плоскости (см. рисунок).



Источник: College of Optic and Photonics, UCF

Структура AR/VR-гарнитуры, предложенная специалистами Университета Центральной Флориды


В Университете Центральной Флориды решили заняться проблемой AR/VR из-за отсутствия коммерческих гарнитур. Обычные дисплеи, как правило, имеют только одну фокальную плоскость. Но человеческое бинокулярное зрение требует около шести фокальных плоскостей одновременно. Предложенный метод позволяет приблизиться к данным параметрам, причем в приборе небольшого объема. Также удалось избежать некоторых проблем пространственного и динамического мультиплексирования. Объединение бифокальных линз с модулятором поляризации – хорошее решение для создания нескольких фокальных областей. Кроме того, разработчики использовали поляризацию для решения другой проблемы AR/VR-дисплеев – яркости изображения в хорошо освещенных средах – путем разработки поляризованного видеошлема.


БУДУЩЕЕ СВОБОДНОЙ ФОРМЫ

Решение, позволяющее уменьшить размер AR/VR-дисплеев, дает возможность отойти от реализаций, основанных исключительно на традиционных линзах, и использовать вместо этого оптику свободной формы. Ставится задача использовать линзы более сложных форм для разработки дисплея с форм-фактором, подобным солнечным очкам, но при этом обеспечивающего большее поле зрения.

Оптика свободной формы в основном представлена несимметричными объективами, которым можно придать нужную форму и этажировать их с целью достижения желаемой функциональности. Их поверхность теперь можно подвергать механической обработке с нанометровой точностью.

Нетипичные формы такой оптики могут вызвать аберрации, а формируемые изображения могут существенно отличаться от изображений, формируемых традиционными объективами. Ранние попытки изготовления оптики свободной формы затруднялись отсутствием официальных измерительных или метрологических систем, которые обеспечивали бы соответствие изготавливаемых форм проектным представлениям. Теперь же ряд исследователей предлагают подходы, которые хорошо описывают основные теоретические представления и методы формирования свободной оптики. При этом существенно увеличено число используемых материалов. Появилась возможность создания легких решений с соответствующими коррекциями для аберраций и VAC.

Шесть лет назад был создан Центр оптики свободной формы (Center for Freeform Optics), цель которого – активизация сотрудничества между промышленностью и научными учреждениями в данной области. Финансирование Центра осуществляется Национальным научным фондом США. Академические круги представлены Рочестерским университетом и Университетом штата Северная Каролина. Помимо них в работе Центра принимают участие корпорации Google, Ball Aerospace, Collins Aerospace, Thales, Jabil, Synopsys и Zeiss. Правительственные круги представлены исследовательской лабораторией ВВС США.

Создание Центра по сути означает формирование партнерства, ориентированного на предконкурентные исследования. Такой подход позволяет ускорить разработки новой техники и сократить затраты всех партнеров.

Корпорация North также использует оптику свободной формы. Кроме того, в дополнение к линзам ее очки содержат микроэлектромеханический проектор с голографическим объединителем, который создает несколько выходных зрачков для отображения многоцветной информации. Компания была основана в 2012 г. Ее создатели поставили перед собой задачу изменить взаимодействие людей с технологиями и окружающим миром. North сосредоточилась на видеошлемах для пространственных вычислений. В ее фирменных салонах специалисты проводят 3D-сканирование голов клиентов для максимально точной подгонки очков.

 

Ahmed Farooq. Consumer AR/VR Headsets Focus on Nontraditional Optics. Photonics Spectra, May 2019, pp. 30–33: https://www.photonicsspectra-digital.com/photonicsspectra/may_2019/MobilePagedReplica.action?pm=2&folio=30#pg30


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 13(6737) от 08 июля 2021 г. г.