Новий дизайн може зробити окуляри доповненої реальності більш енергоефективними та практичними для повсякденного носіння.
Дослідники з Університету Рочестера розробили та продемонстрували новий оптичний компонент, який може значно підвищити яскравість і якість зображення в окулярах доповненої реальності (AR). Цей прогрес робить окуляри AR на крок ближчими до того, щоб стати такими ж поширеними та корисними, як сучасні смартфони.
«Багато сучасних гарнітур доповненої реальності є громіздкими та мають короткий термін служби батареї, а дисплеї тьмяні та їх важко побачити, особливо на відкритому повітрі», — каже керівник дослідницької групи Ніколас Вамівакас, професор оптичної фізики Марі К. Вілсон та Джозефа К. Вілсона з Інституту оптики Урочестера. «Завдяки створенню набагато ефективнішого вхідного порту для дисплея наша робота може допомогти зробити окуляри AR набагато яскравішими та енергоефективними, перетворивши їх із нішевого гаджета на щось таке ж легке та зручне, як звичайна пара окулярів».
В журналі Експрес оптичних матеріалівдослідники описують, як вони замінили один хвилевідний вхідний з’єднувач — вхідний порт, через який зображення потрапляє на скло — на один із трьома спеціалізованими зонами, кожна з яких виготовлена з метаповерхневого матеріалу, для досягнення покращеної продуктивності.
«Ми повідомляємо про перший експериментальний доказ того, що ця складна багатозонна конструкція працює в реальному світі», — каже Вамівакас. «Хоча ми зосереджені на доповненій реальності, цю високоефективну технологію з’єднання світла з вибором кута також можна використовувати в інших компактних оптичних системах, таких як проекційні дисплеї для автомобільного чи аерокосмічного застосування або в передових оптичних датчиках».
Метаповерхневий AR
В окулярах доповненої реальності хвилевідний внутрішній зв’язок вводить зображення з мікродисплея в лінзи, щоб віртуальний вміст накладався на реальний світ. Однак внутрішні зв’язки, які використовуються в сучасних окулярах доповненої реальності, мають тенденцію зменшувати яскравість і чіткість зображення.
Щоб подолати ці проблеми, дослідники використали технологію метаповерхні, щоб створити внутрішню муфту з трьома спеціалізованими зонами. Метаповерхні — це надтонкі матеріали з візерунками, які в тисячі разів менші за людську волосину, що дозволяє їм згинати, фокусувати або фільтрувати світло так, як це не вдається звичайним лінзам.
«Метаповерхні пропонують більшу гнучкість при проектуванні та виробництві, ніж традиційна оптика», — каже Вамівакас. «Ця робота з удосконалення внутрішнього сполучника, основного джерела втрати світла, є частиною більшого проекту, спрямованого на використання метаповерхень для проектування всієї хвилевідної системи, включаючи вхідний порт, вихідний порт і всю оптику, яка направляє світло між ними».
Для нового входу дослідники розробили шаблони метаповерхні, які ефективно вловлюють вхідне світло та значно зменшують кількість світла, що витікає назад. Метаповерхні також зберігають форму вхідного світла, що важливо для підтримки високої якості зображення.
Це дослідження базується на попередніх теоретичних роботах дослідників, які показали, що багатозонний внутрішній з’єднувач забезпечує найкращу ефективність і якість зображення. Вамівакас каже, що прогрес у метаповерхневих ґратках забезпечив гнучкість конструкції для створення трьох точно підібраних зон, тоді як найсучасніші методи виготовлення, включаючи електронно-променеву літографію та осадження атомного шару, забезпечили точність, необхідну для створення складних наноструктур із високим співвідношенням сторін.
«Ця стаття є першою, яка подолає розрив від ідеалізованої теорії до практичного, реального компоненту», — каже Вамівакас. «Ми також розробили процес оптимізації, який враховує реалістичні фактори, такі як матеріальні втрати та неідеальні суми ефективності, яких не враховує сама теорія».
Трьохзонний тест продуктивності
Щоб продемонструвати новий внутрішній з’єднувач, дослідники виготовили та випробували кожну з трьох зон метаповерхні окремо за допомогою спеціальної оптичної установки. Потім вони протестували повністю зібраний тризонний пристрій як цілісну систему, використовуючи аналогічну установку для вимірювання загальної ефективності зв’язку в усьому горизонтальному полі зору від -10 градусів до 10 градусів.
Вимірювання показали значну збіг із моделюванням у більшій частині поля зору. Середня виміряна ефективність у всьому полі становила 30 відсотків, що майже відповідало середньому змодельованому 31 відсотку. Єдиний виняток був на самому краю поля зору, при -10 градусах, де виміряна ефективність становила 17 відсотків порівняно з імітованими 25,3 відсотками. Дослідники пояснюють це високою кутовою чутливістю конструкції під таким кутом, а також потенційними незначними дефектами виготовлення.
Зараз дослідники працюють над застосуванням нового дизайну метаповерхні та основи оптимізації до інших компонентів хвилеводу, щоб продемонструвати повну, високоефективну систему на основі метаповерхні. Щойно це буде досягнуто, вони планують розширити дизайн від одноколірного (зеленого) до повнокольорового (RGB), а потім удосконалити дизайн, щоб покращити толерантність до виготовлення та мінімізувати падіння ефективності на краю поля зору.
Дослідники зазначають, що для того, щоб ця технологія була достатньо практичною для комерціалізації, необхідно буде продемонструвати повністю інтегрований прототип, який поєднує внутрішню муфту зі справжнім двигуном мікродисплея та вихідною муфтою. Необхідно також розробити надійний, високопродуктивний виробничий процес, щоб копіювати складні наноструктури за низькою ціною.