Wie Großbritannien in Augmented-Reality-Brillen glänzen könnte

Irgendeine Perspektive

Trotz des Hypes hinter einigen berühmten Virtual-Reality-Goggle-Marken sind die Probleme, die sie gelöst haben, nichts, womit diese Augmented-Reality-Firmen nichts zu tun haben.

Durch ihre geschlossene Natur müssen die Optiken der VR-Brillen niemals mit Sonnenlicht konkurrieren, und da sie fast nie im Freien getragen werden, hat Straßenmode keinen Einfluss auf ihr Aussehen - sie können sperrig sein.

So sind selbst die teuersten VR-Brillen kaum mehr als ein Paar von ~ 50mm LCDs (oder einer langen) in einer lichtdichten Box, die auch eine Linse für jedes Auge unterstützt, um das LCD-Bild auf die Netzhaut zu fokussieren.

An einem Ende des Marktes fordert Google Pappe ein Telefon mit Bildern und Bewegungserkennung sowie zwei einfache Objektive. Und auf der anderen Seite geht das Geld in weit bessere Objektive und stark verbesserte Bewegungserkennung.

Es gibt keinen Platz, um ein 50-mm-LCD in eine Augmented-Reality-Brille zu stellen. Die Herausforderung besteht also darin, Bilder von einem Mikro-Display auf die Netzhaut zu bekommen, mit einer Intensität, die mit der Landung mithalten kann Die Aussenwelt.

Reflektierende (Spiegel) oder refraktive (Prismen) Optiken können dies für eine bestimmte dreidimensionale physikalische Hülle, aber WaveOptics of Abingdon gehört zu den wenigen Unternehmen, die es mit diffraktiver Optik erreichen wollen - eine Technologie, die den größten Teil der optischen Kette in eine dünne Glasscheibe.

Während Refraktion und Reflexion zumindest auf oberster Ebene recht intuitiv sind, kann diffraktive Optik den Kopf verblüffen - und so ist ein bedeutender Teil des Teams des Unternehmens entweder Mathematiker oder optische Modellierer, so David Gray, der das Unternehmen gründete mit Sumanta Talukdar im Jahr 2014 über geteilte Expertise.

Was ist es und was macht es?

Es ist ein Lichtwellenleiter - ein geformtes Stück modifiziertes Flachglas mit einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche.

Nimm einen Projektor, erklärte Grey und fokussiere sein Bild auf eine drei Meter entfernte Wand.

Unterbrechen Sie den Projektor, indem Sie den Eingabebereich des Glases in seinen Strahl legen.

Jetzt erscheint das Bild nicht mehr an der Wand, aber wenn Sie Ihren Kopf neben den Projektor stellen und durch den Ausgabebereich des Glases an der Wand schauen, ist das Bild dort, scheinbar auf die Wand gerichtet.

Der Wellenleiter hat den Strahl genommen, ihn seitwärts durch die Glasscheibe bewegt und ihn so in den Betrachter zurückgestrahlt, dass er in 3 m Entfernung fokussiert erscheint.

"Unser Wellenleiter behält alle Winkel- und Farbeigenschaften des Bildes bei", sagte Grey Electronics Weekly.

Was innerhalb des Wellenleiters passiert, ist eine "zweidimensionale Pupillenexpansion".

Wenn Licht auf den Eingangsbereich trifft, der nur wenige mm groß ist und daher mit Mikroprojektoren kompatibel ist, ist es so, dass ein einfaches Beugungsgitter das Licht um 90 ° in das Blatt zum Ausgangsbereich hin dreht.

Dann prallt es zwischen den beiden Glas / Luft-Grenzflächen zusammen, eingeschränkt durch innere Totalreflexion, bis es den Ausgangsbereich erreicht.

Ein patentiertes regelmäßiges hexagonales Muster von Punkten auf einer Oberfläche, das einen photonischen Kristall mit zwei sich kreuzenden Diffraktionsgittern bildet, verursacht Welleninteraktionen, die das konzentrierte Licht über den Ausgangsbereich hinaus ausbreiten und um weitere 90 ° drehen. zurück zum Betrachter.

Was auch immer im Inneren des Glases vor sich geht, das Einzige, was wichtig ist, sagte Gray, ist, dass der Winkel, in dem das Licht ursprünglich in das Glas eindrang, genau beibehalten wird, wenn es das Glas verlässt. Wenn dies geschieht, funktioniert das System.

Dabei spielt es keine Rolle, wie oft interne Reflektion auftritt, sagte Gray, der auch darauf hinwies, dass ein einzelner Lichtstrahl von einem einzelnen Pixel in der ursprünglichen Bildquelle beispielsweise von mehreren Stellen auf dem Ausgangsbereich auftauchen wird , in einem regelmäßigen Array.

Während das WaveOptics-System das Licht von Eingang zu Ausgang gleichzeitig in zwei Dimensionen erweitert hat (siehe rechts), erweitert die graue diffraktive Optik, die auf die gleiche Anwendung (links unten) ausgerichtet ist, diese in einer Dimension drehen Sie es innerhalb des Glases um 90 °, dann erweitern Sie es in der anderen Dimension. Die zusätzliche Drehung um 90 ° erfordert eine zusätzliche Glasfläche, wodurch die verfügbare Fläche für die optische Ausgabe verringert wird.

Der Bereich, der für die Ausgabe verfügbar ist, ist wichtig, wenn eine findige Einstellung zum Kompensieren der Augenhöhe jedes Benutzers vermieden werden soll.

Wenn das System verwendet wird, erhält das empfangende Auge ein perfektes Bild, wenn es mit der Mitte des Ausgabebereichs ausgerichtet ist. Wenn sich das Auge seitwärts oder auf und ab bewegt, verschlechtert sich das Bild an irgendeinem Punkt in jeder Richtung, bis es inakzeptabel ist.

Wenn Sie alle diese Punkte zusammenführen, entsteht eine Form, die "Augen-Box" genannt wird.

Billiges Fernglas hat eine kleine Augenklappe - Sie feilen ständig an der Breiteneinstellung, um in beiden Augen ein gutes Bild zu bekommen.

Die Herausforderung bei AR-Brillen besteht darin, eine Augenklappe groß genug zu machen, dass die meisten Menschen sie ohne Anpassung verwenden können, sagte Grey und benötigte eine große Augenklappe.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die scheinbare Größe des Augmentationsbildes - kann es genug von der Szene ausfüllen, um nützlich zu sein? Wenn die AR-Brille über einen größeren Winkel "projizieren" kann, kann sie mehr vom Gesichtsfeld ausfüllen.

Es stellt sich heraus, dass bei einer gegebenen Lichtmenge, die in das System eintritt, ein Kompromiß zwischen Augenkastenbereich, Winkelblickfeld und der wahrgenommenen Helligkeit des Bildes besteht.

Laut Gray können seine Wellenleiter eine nutzbare Augenkastengröße und -helligkeit mit einem Sichtfeld von 40 ° mit leicht verfügbarem Glas erreichen, die auf 55 ° ansteigt, wenn ein exotischeres Glas mit hohem Brechungsindex verwendet wird. Er vergleicht dies mit 35 °, die von einem Wettbewerber mit hochbrechendem Glas erreicht wurden, da sie eine separate x- und y-Erweiterung verwenden, bei der das Licht in der zusätzlichen 90 ° -Eindrehung verloren geht. "Unser Output ist für eine bestimmte Glasgröße größer", sagte er.

Bei diffraktiven 2-D-Pupillenerweiterungssystemen gibt es eine unvermeidliche spektrale Bandbreitenbegrenzung. Im Fall von WaveOptics muss es zwei Glaswellenleiter stapeln, einen für Blau und einen Teil für Grün und den anderen für Grün und Rot. Eine andere Option, die von einigen verwendet wird, die auf denselben Markt zielen, besteht darin, drei zu verwenden, einen für jeden Rot, Grün und Blau.

Wenn zwei oder drei Wellenleiter benötigt werden, ist die Herstellung gemäß Gray geradlinig, da keine Subwellenlängentoleranzen involviert sind. "Sie müssen nicht aktiv ausgerichtet werden, sie brauchen nur normale mechanische Toleranzen, so dass Sie sie einfach zusammenbauen können", sagte er.

So effizient das optische System auch ist, Licht wird immer verschwendet, wenn man diese große praktische Augenschminke erstellt, weil nur ein Bruchteil davon von einer bestimmten Person benutzt wird.

Das bedeutet, dass der Mikroprojektor für jedes Auge viel Licht erzeugen muss.

Und viel Licht von einem kleinen Projektor zu erzeugen, ist das andere "große Ding" in AR-Brillen.

Der Projektor benötigt mindestens ein Display und eine benachbarte Kollimationslinse (oder Linsen), so dass das Licht weitgehend parallel ist und nur die subtile Winkelinformation enthält, die das endgültige Bild erzeugt, wenn es in den 2-D-Pupillenexpander eintritt. Das derzeit bevorzugte Layout für AR-Brillen besteht darin, das Display und die Kollimationslinse seitlich über jedem Auge anzuordnen, wobei ein Spiegel oder Prisma den transversalen Bildstrahl in den Expander umlenkt.

Wenn das Display reflektierend oder durchlässig ist, benötigt der Projektor auch Platz für rote, grüne und blaue LEDs (oder eine weiße LED), um Licht bereitzustellen, und Raum, um dieses Licht an das Display zu liefern.

Energieeffizienz ist der Schlüssel im Display, denn er muss viel Licht erzeugen, ohne dass die Batterien heiß oder flach werden. Es benötigt auch viele Pixel in einem kleinen Raum, um eine akzeptable Auflösung in dem gewünschten Bild zu ergeben - was mehr Pixel bedeutet, wenn das Bild dieses wünschenswerte große Sichtfeld aufweist.

Es gibt zwei etablierte Mikroprojektor-Displaytechnologien, und eine wartet in den Startlöchern, wenn sie zum Funktionieren gebracht werden kann.

Die etablierten Unternehmen sind beide reflektiv: Versionen des inzwischen verdienten Digital Mirror Device (DMD) von TI, bei dem eine Reihe mikrobearbeiteter Spiegel das Licht von roten, grünen und blauen LEDs leitet; und Flüssigkristall-auf-Silizium- (LCoS-) Blenden, die ebenfalls drei LEDs benötigen, um Licht zu liefern.

"Wir haben TI DMD und LcoS verwendet - unsere Module können für beide entworfen werden - und wir haben Module mit beiden gemacht", sagte Gray. "Ohne dass die Projektoren exakt warm laufen, erhalten wir ein Bild, das Sie bei Tageslicht betrachten können. Wenn sie bei strahlendem Sonnenschein arbeiten müssen, geben viele Firmen Farbe ins Glas. "

Das potentielle New-Kid-on-the-Block ist Mikro-LED. Diese emissive Technologie würde den Projektor vereinfachen, da keine separaten leuchtenden LEDs benötigt werden, und kein Bedarf für das sperrige Glasrahmen-Optiksystem besteht, das diese LEDs mit einem reflektierenden Display verbindet.

Kann jemand ein passendes Micro-LED-Display zum richtigen Preis machen?

Es muss hell sein, mit sehr kleinen - etwa 10μm rot-grün-blauen Pixeln, und monolithisch sein, weil es unwahrscheinlich ist, dass jemand so viele separate winzige LED-Chips auf ein Substrat legen könnte.

Wenn keine neue Technologie erscheint, schließt die Helligkeitsanforderung OLED-Anzeigen aus, wodurch Arrays von normalen Miniatur-LEDs übrig bleiben.

Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Plessey ist eine Firma, die behauptet, eine Straßenkarte mit einer so hohen Helligkeit (> 100.000 cd / m) zu haben²) monolithische Vollfarb-LED-Mikroanzeige.

Es hat bereits gezeigt, dass es in der Lage ist, mehrere isolierte GaN (blaue) LED-Chips auf einem Siliziumsubstrat herzustellen und beliebig mit Metallisierungsschichten zu verbinden, und deren Chipherstellungserfahrung eine aktive Matrix in dem darunter liegenden Substrat ermöglicht. Und das Unternehmen hat eine Technik zum Abscheiden von blau-zu-grün-Phosphor auf jeder dritten Mikro-LED und blau-zu-rot-Phosphor auf der Hälfte des Rests offenbart - die Erzeugung der erforderlichen RGB-emittierenden Matrix.

Laut Plessey: "Das Unternehmen hat bereits 100 und 20μm Pitch-Blue-Mikro-LED-Arrays entwickelt, die 400 Pixel / Zoll für ein Druckkopfprojekt mit LumeJet bieten. Ein 100μm-Mikro-LED-Demonstrator existiert bereits, und Plessey wird 2018 eine 20μm-Version anbieten. Demonstratoren mit 100μm sind jetzt auch in Entwicklung für rote und grüne Mikro-LEDs und das Unternehmen adressiert bereits die Herausforderungen für Sub-10μm-Pixel-Anwendungen . "

Gray von WaveOptics: "Eine Micro-LED-Anzeige wäre, wenn sie verfügbar wäre, hinsichtlich Formfaktor und Leistung das Optimum, wenn sie klein genug und zuverlässig wäre."

Die Herstellbarkeit ist das letzte Attribut, das Gray für Waveguide von WaveOptic fordert: "Sie müssen sicherstellen, dass Ihr Herstellungsprozess skalierbar ist, Sie müssen viele Millionen machen", sagte er und beschrieb, wie das Unternehmen eine Glasscheibe durch Kontaktdruckmuster auf seinem verändert Oberfläche mit UV-härtbarem Harz. "Der Replikationsprozess ist" Kontakt drucken, heilen und trennen ", sagte Gray. "Heute können wir 10 Wellenleiter pro Wafer liefern, die auf 28 Wellenleiter pro Wafer wachsen werden, um die Effizienz bei der Herstellung von Hunderttausenden von Wellenleitern zu verbessern."