O que é a óptica de realidade virtual?

Definição de óptica de realidade virtual

A óptica de realidade virtual (RV) abrange os componentes especializados de um sistema de RV que criam uma experiência visual imersiva para o usuário. Exemplos incluem:

• Câmeras que capturam dados brutos para simulação de cenas
• Fibra óptica utilizada em luvas e roupas para enviar e receber dados
• Visores montados na cabeça (HMDs) que geram percepção 3D
• Telas de projeção imersivas e semi-immersivas
• Sensores que rastreiam os movimentos do usuário e de seus olhos.

Atualmente, os dispositivos ópticos de realidade virtual que mais despertam interesse são os visores montados na cabeça (HMDs), também conhecidos como visores próximos aos olhos.

Para que a realidade virtual funcione, é necessário que haja um sistema óptico no visor de realidade virtual (HMD) capaz de projetar uma imagem na tela à frente dos olhos.

Neste sistema óptico, um HMD inclui fontes de luz (tela), receptores (olhos) e elementos ópticos (lentes).

• As fontes de luz em um HMD são microtelas, como diodos orgânicos emissores de luz (OLED) ou telas de cristal líquido (LCD). Um HMD binocular normalmente possui duas telas que fornecem imagens separadas para cada olho e geram a percepção 3D por meio da estereoscopia. Em um HMD holográfico, a fonte de luz é a luz coerente modulada proveniente de um modulador espacial de luz (SLM).
• Os receptores nos visores de realidade virtual são os olhos do usuário.
• Os elementos ópticos captam a luz da fonte e geram representações de um mundo virtual 3D. Um visor de RV (HMD) ideal deve ser capaz de fornecer uma imagem de alta resolução dentro de um amplo campo de visão (FOV), ao mesmo tempo em que oferece pistas de acomodação para a percepção 3D, e deve possuir uma grande área de visão (pupila de saída) com um formato compacto [2].

Figura 1. Estrutura do visor de realidade virtual (VR HMD). Fonte: https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

Um dos requisitos mais importantes para os HMDs é um bom design ergonômico, o que significa que o headset deve ser confortável de usar e proporcionar uma visão confortável mesmo durante o uso prolongado. Para ser confortável de usar, o headset deve ser compacto e leve. Idealmente, o peso e o tamanho não devem exceder os de um par de óculos. Para proporcionar uma visão confortável, o headset deve oferecer pontos de visão adequados com base na posição da cabeça e no ponto de foco do usuário. O headset também deve ter espaço adequado para os olhos, um tamanho de pupila grande o suficiente para permitir o movimento natural dos olhos, distância interpupilar (IPD) adequada e baixa divergência e dipvergência.

As principais restrições do projeto óptico para os HMDs são o tamanho da pupila (eye-box), a distância entre os olhos, a divergência, a dipvergência e a IPD (ver Figura 2).

O campo de visão (FOV) é importante

Um importante objetivo de projeto dos visores de RV (HMDs) é reproduzir as características de imagem do sistema visual humano. O campo de visão (FOV) do olho humano é de aproximadamente 120 graus na vertical e quase 360 graus na horizontal, levando em conta a rotação dos olhos e os movimentos da cabeça. O campo de visão binocular, dentro do qual um objeto é visível para ambos os olhos, é de cerca de 114 graus [5].

Figura 3. Diagrama do campo de visão. Fonte: https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

Levando em conta as falhas no projeto

Os efeitos das aberrações na qualidade da imagem em HMDs são semelhantes aos observados em outros sistemas ópticos. Aberrações como a aberração cromática axial, a aberração esférica, a coma, o astigmatismo e a curvatura de campo causam desfoque. Aberrações como a distorção, a coma e a aberração cromática lateral provocam deformações. O controle das aberrações é importante no projeto da óptica dos HMDs de RV.

Outros fatores no projeto de HMD

Os avanços no design dos visores de realidade virtual (HMD) aproveitam as vantagens das superfícies asféricas, dos elementos ópticos difrativos (DOEs), dos elementos ópticos holográficos (HOEs), das lentes sintonizáveis e da óptica plástica.

• As superfícies asféricas ajudam a controlar as aberrações das lentes e a reduzir o número de elementos.
• Os DOEs apresentam propriedades de dispersão interessantes, com dispersão cromática negativa em lentes positivas.
• Os HOE têm um tamanho compacto e podem funcionar como um divisor de feixe.
• As lentes ajustáveis podem ampliar a profundidade de campo.
• Os componentes plásticos são baratos e leves.

Embora seja possível melhorar o tamanho da área de visualização e o campo de visão do dispositivo de RV usando essas tecnologias avançadas, isso muitas vezes compromete o formato do aparelho. Para amenizar esse problema, novas direções de desenvolvimento incluem HMDs com rastreamento ocular integrado, telas multifocais/varifocais, telas de oclusão, telas holográficas e telas de campo de luz.

O software de projeto óptico é uma ferramenta importante para o projeto de ópticas de RV. Um projeto de qualidade para sistemas ópticos de RV requer vários tipos de software:

• O engenheiro óptico precisa de um software para criar e otimizar o sistema de imagem, analisar a luz difusa no caminho óptico e projetar elementos ópticos difrativos.
• O engenheiro mecânico precisa de um pacote de CAD para desenhar o layout do sistema e realizar análises térmicas e estruturais.
• O engenheiro elétrico pode precisar de um software para rastrear o movimento dos olhos e enviar o sinal ao sistema óptico.

A Keysight oferece um conjunto completo de ferramentas para simular dispositivos de RA/RV.

Aqui está um fluxo de trabalho para projetar sistemas ópticos usando um software de projeto óptico:

• O software de projeto óptico CODE V é capaz de traçar os raios através do sistema óptico, otimizar o sistema para reduzir aberrações, diminuir a distorção e aumentar a resolução.
• O software de projeto de iluminação LightTools permite modelar a iluminação, a luz difusa e as imagens fantasmas. O LightTools também pode otimizar a uniformidade da iluminação. A luz difusa pode causar artefatos na imagem e pontos brilhantes.

As grades difrativas acoplam a luz à placa do guia de onda e a acoplam de volta para fora da placa, em direção aos olhos. É necessário projetar as grades adequadamente para que o sistema óptico produza boas imagens. É possível projetar e otimizar as grades com base no ângulo de difração, nas eficiências e assim por diante, em qualquer ordem ou combinação de ordens.

Para projetar grades, você pode usar as ferramentas de projeto fotônico RSoft da Keysight:

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

Depois que as grades forem criadas, 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. Os arquivos BSDF do RSoft contêm informações sobre como uma superfície (filme fino, padrões etc.) espalha a luz, incluindo todas as propriedades difrativas.

Na RV, o visor precisa apenas exibir o ambiente simulado. Na realidade aumentada (RA), o visor costuma ser transparente para combinar o ambiente simulado com o ambiente real.

Existem algumas diferenças entre a óptica de RV e a de RA:

• Em primeiro lugar, a RA requer telas de alta luminosidade, especialmente em ambientes claros, como áreas externas e salas de cirurgia.
• Em segundo lugar, a divergência de inclinação deve ser inferior a 1 a 3 minutos de arco para HMDs transparentes destinados à RA.
• Por fim, os HMDs transparentes costumam apresentar um design dobrável para permitir um amplo campo de visão e um formato compacto. Os HMDs transparentes devem integrar um combinador óptico para combinar a luz refletida da cena virtual com a luz transmitida pelos objetos do mundo real. Na fase de prototipagem, costuma-se utilizar um divisor de feixe como combinador. Os HOEs podem reduzir o tamanho do combinador, pois são finos e planos e podem funcionar como um divisor de feixe para um comprimento de onda específico.

• Educação e treinamento: A simulação de voo militar e o treinamento de combate em campo de batalha, o treinamento médico para cirurgias e situações de emergência, bem como a orientação aos pacientes, incorporam a RV para ajudar as pessoas a vivenciar procedimentos e compreender o que esperar. A RV também apoia o ensino à distância ao recriar ambientes de sala de aula ou cenas históricas, além de oferecer experiências imersivas em museus.
• Engenharia: A RV auxilia no projeto 3D e na prototipagem virtual, permitindo que os engenheiros visualizem e aperfeiçoem os produtos antes do desenvolvimento físico.

• Interação social e comércio: a RV permite interações virtuais com colegas ou clientes, oferece salas de exposição para compras online e proporciona experiências em 3D para visitas a imóveis.
• Entretenimento: A RV aprimora as experiências de jogos e o turismo ao envolver os usuários em ambientes interativos.
• Reabilitação médica e cirurgia à distância: a RV auxilia na terapia de exposição psicológica, na reabilitação para doenças como a de Alzheimer e em procedimentos cirúrgicos à distância.