Was ist Virtual-Reality-Optik?

Definition der Optik virtueller Realität

Die Optik für virtuelle Realität (VR) umfasst die speziellen Komponenten eines VR-Systems, die dem Nutzer ein immersives visuelles Erlebnis ermöglichen. Beispiele hierfür sind:

• Kameras, die Rohdaten für die Szenensimulation erfassen
• Glasfasern werden in Handschuhen und Kleidung verwendet, um Daten zu senden und zu empfangen.
• Kopfmontierte Displays (HMDs), die 3D-Wahrnehmung erzeugen
• Immersive und semi-immersive Projektionsdisplays
• Sensoren, die die Bewegungen des Benutzers und seiner Augen erfassen.

Aktuell sind vor allem Head-Mounted Displays (HMDs) – auch bekannt als Near-Eye-Displays – die Optiken für virtuelle Realität von Interesse.

Damit Virtual Reality funktioniert, muss in einem Head-Mounted Display (HMD) ein optisches System vorhanden sein, das ein Bild auf ein Display vor Ihren Augen projiziert.

In diesem optischen System umfasst ein HMD Lichtquellen (Display), Empfänger (Augen) und optische Elemente (Linsen).

• Die Lichtquellen in einem Head-Mounted Display (HMD) sind Mikrodisplays, beispielsweise organische Leuchtdioden (OLED) oder Flüssigkristallanzeigen (LCD). Ein binokulares HMD verfügt typischerweise über zwei Displays, die für jedes Auge ein separates Bild erzeugen und so durch Stereoskopie eine 3D-Wahrnehmung ermöglichen. In einem holografischen HMD wird moduliertes, kohärentes Licht von einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) als Lichtquelle verwendet.
• Die Empfänger in den HMDs sind die Augen des Benutzers.
• Die optischen Elemente sammeln Licht von der Quelle und erzeugen Darstellungen einer virtuellen 3D-Welt. Ein ideales VR-Headset muss ein hochauflösendes Bild in einem großen Sichtfeld (FOV) liefern, Akkommodationshinweise für die 3D-Wahrnehmung unterstützen und über eine große Austrittspupille bei kompakter Bauform verfügen [2].

Abbildung 1. Struktur eines VR-Headsets. Quelle: https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

Eine der wichtigsten Anforderungen an Head-Mounted Displays (HMDs) ist ein gutes ergonomisches Design. Das bedeutet, dass das Headset auch bei längerer Nutzung angenehm zu tragen und komfortabel zu betrachten ist. Für hohen Tragekomfort sollte das Headset kompakt und leicht sein. Idealerweise sollte es nicht schwerer und größer als eine Brille sein. Für eine komfortable Sicht sollte das Headset je nach Kopfposition und Blickrichtung des Nutzers geeignete Sichtwinkel bieten. Außerdem sollte es ausreichend Augenfreiheit, eine ausreichend große Pupillengröße für natürliche Augenbewegungen, einen angemessenen Pupillenabstand (IPD) sowie geringe Divergenz und Diffusion aufweisen.

Die wichtigsten optischen Designbeschränkungen für HMDs sind die Pupillengröße (Augenboxgröße), der Augenabstand, die Divergenz, die Dipvergenz und der IPD (siehe Abbildung 2).

Das Sichtfeld (FOV) ist wichtig

Ein wichtiges Designziel für VR-Headsets ist die Nachbildung der Bildcharakteristika des menschlichen Sehsystems. Das Sichtfeld des menschlichen Auges beträgt vertikal etwa 120 Grad und horizontal, unter Berücksichtigung von Augenrotation und Kopfbewegungen, nahezu 360 Grad. Das binokulare Sichtfeld, in dem ein Objekt für beide Augen sichtbar ist, beträgt etwa 114 Grad [5].

Abbildung 3. Diagramm des Sichtfelds. Quelle: https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

Berücksichtigung von Abweichungen im Design

Die Auswirkungen von Abbildungsfehlern auf die Bildqualität in Head-Mounted Displays (HMDs) ähneln denen anderer optischer Systeme. Abbildungsfehler wie axiale und sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus und Bildfeldwölbung führen zu Unschärfe. Verzeichnung, Koma und laterale chromatische Aberration verursachen Bildverzerrungen. Die Kontrolle von Abbildungsfehlern ist daher ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Optiken für VR-HMDs.

Weitere Faktoren beim HMD-Design

Fortschritte im HMD-Design nutzen asphärische Oberflächen, diffraktive optische Elemente (DOEs), holographische optische Elemente (HOEs), abstimmbare Linsen und Kunststoffoptiken.

• Asphärische Oberflächen helfen, Linsenaberrationen zu kontrollieren und die Anzahl der Linsenelemente zu reduzieren.
• DOEs bieten interessante Dispersionseigenschaften mit negativer chromatischer Dispersion in positiven Linsen.
• HOEs haben eine kleine Bauform und können wie ein Strahlteiler funktionieren.
• Verstellbare Linsen können den Tiefenbereich erweitern.
• Kunststoffkomponenten sind kostengünstig und leicht.

Obwohl sich die Größe des Sichtfelds und des Blickfelds von VR-Geräten mithilfe dieser fortschrittlichen Technologien verbessern lässt, geht dies häufig zu Lasten der Bauform. Um dieses Problem zu beheben, umfassen neue Entwicklungsrichtungen Head-Mounted Displays mit integriertem Eye-Tracking, Multifokal-/Varifokaldisplays, Okklusionsdisplays, holografische Displays und Lichtfelddisplays.

Optische Designsoftware ist ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung von VR-Optiken. Für ein qualitativ hochwertiges Design optischer VR-Systeme sind verschiedene Softwaretypen erforderlich:

• Der Optikingenieur benötigt Software, um das Abbildungssystem zu erstellen und zu optimieren, Streulicht im optischen Pfad zu analysieren und diffraktive optische Elemente zu entwerfen.
• Der Maschinenbauingenieur benötigt ein CAD-Programm, um den Systemaufbau zu zeichnen und thermische sowie strukturelle Analysen durchzuführen.
• Der Elektrotechniker benötigt möglicherweise eine Software, um die Augenbewegungen zu erfassen und das Signal an das optische System zu senden.

Keysight bietet ein komplettes Toolset zur Simulation von AR/VR-Geräten.

Hier ist ein Arbeitsablauf für die Entwicklung optischer Systeme mithilfe von optischer Designsoftware:

• Die optische Designsoftware CODE V kann Lichtstrahlen durch das optische System verfolgen, das System optimieren, um Aberrationen zu reduzieren, Verzerrungen zu verringern und die Auflösung zu erhöhen.
• Die Beleuchtungsdesign-Software LightTools kann Beleuchtung, Streulicht und Geisterbilder modellieren. LightTools optimiert zudem die Beleuchtungsgleichmäßigkeit. Streulicht kann Bildartefakte und helle Flecken verursachen.

Diffraktive Gitter koppeln Licht in die Wellenleiterplatte ein und leiten es von dort ins Auge. Für eine gute Bildqualität ist eine präzise Auslegung der Gitter unerlässlich. Die Gitter lassen sich anhand von Beugungswinkel, Wirkungsgrad usw. in beliebiger Reihenfolge oder Kombination verschiedener Ordnungen optimieren.

Zum Entwerfen von Gittern können Sie die Keysight RSoft Photonic Design- Tools verwenden:

• DiffractMOD RCWA ist ein sehr effizientes Werkzeug zur präzisen Berechnung der Beugungseigenschaften von transversal periodischen Bauelementen.
• FullWAVE FDTD ist ein weiteres leistungsstarkes Werkzeug zur präzisen Berechnung der Beugungseigenschaften von transversal periodischen Bauelementen.
• Die MOST- Optimierung in der RSoft CAD-Umgebung bietet eine komfortable Methode zur Optimierung von Gittern mit FullWAVE oder DiffractMOD.

Sobald die Gitter erstellt sind, können Sie die Informationen zur bidirektionalen Streuverteilungsfunktion (BSDF) und die Layoutdateien direkt in LightTools exportieren, um eine Oberflächeneigenschaft zu definieren. Die RSoft-BSDF-Dateien enthalten Informationen darüber, wie eine Oberfläche (Dünnschicht, Muster usw.) Licht streut, einschließlich aller diffraktiven Eigenschaften.

In der VR muss das Display lediglich die simulierte Umgebung ausgeben. In der Augmented Reality (AR) ist das Display oft transparent, um die simulierte Umgebung mit der realen Umgebung zu kombinieren.

Es gibt einige Unterschiede zwischen VR- und AR-Optiken:

• Erstens benötigt AR Displays mit hoher Leuchtdichte, insbesondere für helle Umgebungen wie im Freien und in Operationssälen.
• Zweitens sollte die Divergenz bei durchsichtigen HMDs für AR weniger als 1 bis 3 Bogenminuten betragen.
• Schließlich weisen transparente HMDs häufig ein gefaltetes Design auf, um ein weites Sichtfeld und eine kompakte Bauform zu ermöglichen. Transparente HMDs benötigen einen optischen Kombinator, der das reflektierte Licht der virtuellen Szene mit dem transmittierten Licht realer Objekte kombiniert. In Prototypen wird oft ein Strahlteiler als Kombinator verwendet. HOEs (Hybrid Occlusion Electrical Interfaces) können die Bauform des Kombinators reduzieren, da sie dünn und flach sind und für eine bestimmte Wellenlänge als Strahlteiler fungieren können.

• Bildung und Ausbildung: Militärische Flugsimulationen und Gefechtsübungen, medizinische Ausbildung für Operationen und Notfallszenarien sowie Patientenaufklärung nutzen VR, um Anwendern die Abläufe simulieren zu lassen und ihnen ein besseres Verständnis des zu erwartenden Ablaufs zu vermitteln. VR unterstützt zudem das Fernlernen durch die Nachbildung von Unterrichtsumgebungen oder historischen Szenen und bietet immersive Erlebnisse in Museen.
• Engineering: VR unterstützt 3D-Design und virtuelles Prototyping und ermöglicht es Ingenieuren, Produkte vor der physischen Entwicklung zu visualisieren und zu verfeinern.

• Soziale Interaktion und Handel: VR ermöglicht virtuelle Interaktionen mit Kollegen oder Kunden, bietet Ausstellungsräume für Online-Shopping und ermöglicht 3D-Erlebnisse für Immobilienbesichtigungen.
• Unterhaltung: VR verbessert das Spielerlebnis und den Tourismus, indem es die Nutzer in interaktive Umgebungen eintauchen lässt.
• Medizinische Rehabilitation und Fernchirurgie: VR unterstützt die psychologische Expositionstherapie, die Rehabilitation bei Erkrankungen wie Alzheimer und chirurgische Eingriffe aus der Ferne.