O que é a óptica de realidade aumentada?

Para ativar a realidade aumentada (RA), um sistema óptico projeta imagens digitais em um visor transparente posicionado diante dos olhos do usuário, sobrepondo informações virtuais ao ambiente real. Isso pode ser feito por meio de diferentes tipos de visores, como visores montados na cabeça (HMDs), dispositivos portáteis como tablets ou visores fixos, como para-brisas.

Óculos de RA e visores montados

Um sistema óptico típico de RA é composto por três componentes principais:

• Fontes de luz: Microdisplays, como diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) ou telas de cristal líquido (LCDs), geram as imagens aumentadas. Os HMDs binoculares utilizam dois displays, um para cada olho, para criar um efeito 3D por meio da estereoscopia. Os HMDs holográficos utilizam moduladores espaciais de luz (SLMs) para produzir luz coerente modulada para projeção avançada de imagens.
• Receptores: Os olhos do usuário captam tanto as imagens do mundo real quanto as imagens aumentadas.
• Elementos ópticos: As lentes e os combinadores misturam a luz proveniente dos microdisplays com a luz do ambiente real e projetam a imagem combinada para os olhos do usuário. Nos óculos de RA, por exemplo, a imagem do microdisplay passa por uma série de componentes ópticos, incluindo lentes de modelagem de feixe, prismas e lentes graduadas, antes de ser combinada com a cena real para o observador.

Figura 1. Diagrama esquemático da RA prescrita :

(a) Vista lateral mostrando o trajeto do feixe de RA. A lente graduada serve para a correção da visão e como guia de onda da imagem de RA. Uma lente modeladora de feixe refrata os raios de luz provenientes de um microdisplay que entram na lente graduada através de um prisma de acoplamento e criam uma imagem virtual ampliada a uma distância definida da lente.

(b) Parâmetros geométricos no sistema Prescription AR.

(c) O diagrama 3D dos componentes ópticos.

Reproduzido com permissão. © The Optical Society.

As aberrações ópticas podem afetar a qualidade da imagem em capacetes de realidade aumentada (HMDs), assim como em outros sistemas ópticos. Aberrações como a aberração cromática, a aberração esférica, a coma, o astigmatismo, a curvatura de campo e a distorção podem causar desfoque ou distorção nas imagens projetadas. Um projeto cuidadoso e a otimização são essenciais para minimizar essas aberrações e melhorar a nitidez visual.

O projeto de ópticas de RA requer uma combinação de ferramentas de software especializadas e conhecimentos de várias disciplinas de engenharia. Os engenheiros ópticos utilizam software para criar e otimizar sistemas de imagem, analisar a luz difusa e projetar elementos ópticos difrativos. Os engenheiros mecânicos precisam de ferramentas CAD para definir o layout do sistema e realizar análises térmicas e estruturais. Os engenheiros elétricos também podem ser envolvidos na implementação do rastreamento ocular e no gerenciamento dos sinais enviados ao sistema óptico.

O fluxo de trabalho

Sistemas ópticos:

• Você pode usar o software de projeto óptico CODE V para traçar os raios através do sistema óptico, otimizar o sistema para reduzir aberrações, diminuir a distorção e aumentar a resolução, conforme mostrado em um visor montado na cabeça. Você também pode usar óptica de realidade aumentada para visores head-up (HUDs) automotivos, modelados no CODE V (consulte a próxima seção). Em seguida, exporte a geometria para o LightTools.
• O software de projeto de iluminação LightTools permite modelar a iluminação, a luz difusa e as imagens fantasmas. Você também pode usar o LightTools para otimizar a uniformidade da iluminação.

Projetar grades ópticas utilizando software de projeto fotônico:

As grades difrativas acoplam a luz à placa do guia de onda e a conduzem para fora da placa, em direção aos olhos. As grades devem ser projetadas adequadamente para que o sistema óptico produza imagens de boa qualidade. Para o projeto e a otimização das grades, é possível otimizá-las com base em parâmetros como o ângulo de difração e as eficiências de qualquer ordem ou combinação de ordens.

• O RSoft DiffractMOD RCWA é uma ferramenta muito eficiente para calcular com rigor as propriedades de difração de dispositivos com periodicidade transversal.
• O RSoft FullWAVE FDTD é outra ferramenta poderosa para calcular com rigor as propriedades de difração de dispositivos transversalmente periódicos, quando necessário.
• A otimização RSoft MOST no ambiente CAD da RSoft oferece um método prático para otimizar grades de difração com o RSoft FullWAVE ou o RSoft DiffractMOD.

Depois de criar as grades, você pode exportar as informações da Função de Distribuição de Espalhamento Bidirecional (BSDF) e os arquivos de layout diretamente para o LightTools a fim de definir uma propriedade de superfície. Todas as propriedades difrativas estão incluídas nos arquivos BSDF do RSoft, que contêm informações sobre como uma superfície, como uma película fina ou padrões, espalha a luz.

Um visor frontal (HUD) amplia o campo de visão do motorista com uma imagem proveniente de um monitor. É necessário um software para modelar os raios que atravessam o para-brisa e para avaliar a qualidade da imagem projetada.

O CODE V possui recursos avançados de aplicação na área de projeto de HUDs para enfrentar uma ampla gama de desafios no projeto de sistemas optomecânicos. Os engenheiros podem utilizar este software de projeto óptico para visualização CAD e traçado de raios. O CODE V oferece suporte a novas superfícies de forma livre, proporcionando maior liberdade de projeto para sistemas compactos de combinadores de visor. Essas superfícies melhoram o controle de aberrações à medida que a resolução da imagem aumenta no olho do observador (pixels de tela de maior densidade) e os formatos se tornam mais compactos.

Após a conclusão do projeto, é importante verificar o desempenho final do sistema em relação aos critérios nominais e ao desempenho real do sistema conforme construído. Para isso, o LightTools é o próximo passo lógico para a simulação do visor. Um traçado de raios reverso a partir de objetos de cor espectral que representam uma imagem de exibição no LightTools mostra a imagem projetada do HUD para um visor (sobre uma cena do modelo). Uma simulação do LightTools também pode ajudar a identificar problemas imprevistos com imagens dispersas ou reflexos no sistema. Além disso, os engenheiros podem usar as ferramentas de importação de CAD e medição do LightTools para determinar:

• Distância entre o painel de instrumentos e o para-brisa
• Ângulo aproximado de incidência no para-brisa
• Distância entre o para-brisa e o painel de instrumentos

A simulação do LightTools do desempenho de sistemas ópticos reais é um excelente recurso para os usuários dos produtos de engenharia de projeto da Keysight em seu trabalho.

A principal diferença entre a óptica da realidade aumentada (RA) e a da realidade virtual (RV) reside na forma como interagem com o ambiente real. A óptica da RV simula todo o ambiente visual, mergulhando os usuários em um mundo totalmente virtual. Em contrapartida, a óptica da RA captura o ambiente real e sobrepõe informações digitais a ele, combinando elementos simulados e reais por meio de uma exibição visual.

Na RA, a tela é normalmente transparente, permitindo que os usuários vejam simultaneamente tanto o mundo real quanto os elementos digitais. Já as telas de RV apresentam apenas o ambiente simulado, bloqueando a visão do mundo real.

As principais diferenças entre as ópticas de RA e RV incluem:

• Requisitos de tela: A RA requer telas de alta luminosidade para garantir a visibilidade em ambientes claros, como ao ar livre ou em salas de cirurgia.
• Precisão óptica: No caso de visores de realidade aumentada (HMDs) transparentes, o erro de alinhamento angular — a diferença de ângulo entre as imagens reais e virtuais — deve ser mantido abaixo de 1 a 3 minutos de arco para garantir uma nitidez ideal.
• Considerações de projeto: Os visores de RA (AR HMDs) costumam utilizar um projeto óptico dobrado para obter um amplo campo de visão (FOV) e, ao mesmo tempo, manter um formato compacto. Esses dispositivos devem integrar um combinador óptico que una a luz refletida das cenas virtuais com a luz transmitida do mundo real. Os projetistas costumam usar divisores de feixe para a prototipagem, enquanto os elementos ópticos holográficos (HOEs) oferecem uma solução mais fina e plana para comprimentos de onda específicos.

Esses exemplos ilustram como a óptica de realidade aumentada está transformando uma ampla gama de setores, ao ampliar a percepção da situação, aprimorar a tomada de decisões e criar experiências mais interativas.

• Visores de projeção (HUDs) para condução: fornecem informações em tempo real no para-brisa para auxiliar os motoristas.
• Assistência cirúrgica: exibe instruções do procedimento e informações úteis durante as operações médicas.
• Auxílio em combate: Oferece maior percepção da situação e informações de mira para o pessoal militar.