Was ist Augmented-Reality-Optik?

Um Augmented Reality (AR) zu ermöglichen, projiziert ein optisches System digitale Bilder auf ein transparentes Display vor den Augen des Nutzers und blendet so virtuelle Informationen in die reale Umgebung ein. Dies lässt sich mit verschiedenen Displaytypen realisieren, beispielsweise mit Head-Mounted Displays (HMDs), mobilen Geräten wie Tablets oder fest installierten Displays wie Windschutzscheiben.

AR-Headsets und fest installierte Displays

Ein typisches AR-Optiksystem besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Lichtquellen: Mikrodisplays wie organische Leuchtdioden (OLEDs) oder Flüssigkristallanzeigen (LCDs) erzeugen die erweiterten Bilder. Binokulare Head-Mounted Displays (HMDs) nutzen zwei Displays, eines für jedes Auge, um durch Stereoskopie einen 3D-Effekt zu erzeugen. Holografische HMDs verwenden räumliche Lichtmodulatoren (SLMs), um moduliertes, kohärentes Licht für eine fortschrittliche Bildprojektion zu erzeugen.
• Empfänger: Die Augen des Benutzers empfangen sowohl die Bilder der realen Welt als auch die erweiterten Bilder.
• Optische Elemente: Linsen und Kombinatoren mischen das Licht der Mikrodisplays mit dem Licht der realen Umgebung und projizieren das resultierende Bild an die Augen des Nutzers. Bei AR-Brillen beispielsweise durchläuft ein Mikrodisplaybild eine Reihe optischer Komponenten, darunter Strahlformungslinsen, Prismen und Korrektionsgläser, bevor es für den Betrachter mit der realen Szene verschmolzen wird.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der AR-Verschreibung:

(a) Seitenansicht Angezeigt Der AR-Strahlengang. Die Korrektionslinse dient der Sehkorrektur und Wellenleitung des AR-Bildes. Eine Strahlformungslinse bricht die Lichtstrahlen eines Mikrodisplays, die durch ein Einkopplungsprisma in die Korrektionslinse eintreten und in einem festgelegten Abstand von der Linse ein vergrößertes virtuelles Bild erzeugen.

b) Geometrische Parameter im Prescription AR-System.

(c) Das 3D-Diagramm der optischen Komponenten.

Nachdruck mit freundlicher Genehmigung. © The Optical Society.

Optische Aberrationen können, ähnlich wie in anderen optischen Systemen, die Bildqualität von AR-Headsets beeinträchtigen. Aberrationen wie chromatische Aberration, sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung und Verzeichnung können zu Unschärfe oder Verzerrungen der projizierten Bilder führen. Sorgfältige Konstruktion und Optimierung sind daher unerlässlich, um diese Aberrationen zu minimieren und die Bildschärfe zu verbessern.

Die Entwicklung von AR-Optiken erfordert eine Kombination aus spezialisierten Softwaretools und Expertise aus verschiedenen Ingenieursdisziplinen. Optikingenieure nutzen Software, um Bildgebungssysteme zu erstellen und zu optimieren, Streulicht zu analysieren und diffraktive optische Elemente zu entwerfen. Maschinenbauingenieure benötigen CAD-Tools, um das System zu planen und thermische sowie strukturelle Analysen durchzuführen. Elektrotechnikingenieure können ebenfalls einbezogen werden, um die Blickverfolgung zu implementieren und die an das optische System gesendeten Signale zu steuern.

Der Arbeitsablauf

Optische Systeme:

• Mit der Optikdesign-Software CODE V können Sie Lichtstrahlen durch das optische System verfolgen, das System optimieren, um Aberrationen zu reduzieren, Verzerrungen zu minimieren und die Auflösung zu erhöhen, wie sie beispielsweise in einem Head-Mounted-Display dargestellt wird. Sie können außerdem Augmented-Reality-Optiken für Head-up-Displays (HUDs) in Fahrzeugen verwenden, die in CODE V modelliert wurden (siehe nächster Abschnitt). Anschließend exportieren Sie die Geometrie nach LightTools.
• Die Beleuchtungsplanungssoftware LightTools kann Beleuchtung, Streulicht und Geisterbilder modellieren. Mit LightTools lässt sich außerdem die Beleuchtungsgleichmäßigkeit optimieren.

Gitter mithilfe von photonischer Designsoftware entwerfen:

Diffraktive Gitter koppeln Licht in die Wellenleiterplatte ein und leiten es von dort ins Auge. Für eine optimale Bildqualität müssen die Gitter präzise konstruiert sein. Bei der Auslegung und Optimierung von Gittern können Parameter wie der Beugungswinkel und die Effizienz einzelner oder mehrerer Beugungsordnungen berücksichtigt werden.

• RSoft DiffractMOD RCWA ist ein sehr effizientes Werkzeug zur genauen Berechnung der Beugungseigenschaften von transversal periodischen Bauelementen.
• RSoft FullWAVE FDTD ist ein weiteres leistungsstarkes Werkzeug, um bei Bedarf die Beugungseigenschaften von transversal periodischen Bauelementen genau zu berechnen.
• Die RSoft MOST- Optimierung in der RSoft CAD-Umgebung bietet eine komfortable Methode zur Optimierung von Gittern mit RSoft FullWAVE oder RSoft DiffractMOD.

Nachdem Sie die Gitter erstellt haben, können Sie die Informationen zur bidirektionalen Streuverteilungsfunktion (BSDF) und die Layoutdateien direkt in LightTools exportieren, um eine Oberflächeneigenschaft zu definieren. Alle diffraktiven Eigenschaften sind in den RSoft-BSDF-Dateien enthalten, die Informationen darüber liefern, wie eine Oberfläche, beispielsweise eine dünne Schicht oder ein Muster, Licht streut.

Ein Head-up-Display (HUD) erweitert das Sichtfeld des Fahrers um ein Bild auf einem Bildschirm. Dafür wird Software benötigt, die die durch die Windschutzscheibe verlaufenden Lichtstrahlen modelliert und die Qualität des projizierten Bildes bewertet.

CODE V bietet leistungsstarke Anwendungsfunktionen im Bereich HUD-Design und eignet sich für vielfältige Herausforderungen bei der Entwicklung optomechanischer Systeme. Ingenieure können diese optische Designsoftware für CAD-Visualisierung und Raytracing nutzen. CODE V unterstützt neue Freiformflächen und ermöglicht so mehr Gestaltungsfreiheit für kompakte Windschutzscheiben-Kombinationssysteme. Diese Flächen verbessern die Aberrationskontrolle, da mit steigender Displayauflösung (höhere Pixeldichte) die Baugröße kleiner wird.

Nach Abschluss des Designs ist es wichtig, die endgültige Systemleistung anhand der Nennkriterien und die tatsächliche Systemleistung im Ist-Zustand zu überprüfen. Hierfür ist LightTools der logische nächste Schritt für die Betrachtersimulation. Eine umgekehrte Strahlverfolgung von Spektralfarbenobjekten, die ein Anzeigebild in LightTools darstellen, zeigt das projizierte HUD-Bild für einen Betrachter (auf eine Modellszene). Eine LightTools-Simulation kann auch dazu beitragen, unvorhergesehene Probleme mit Streubildern oder Reflexionen im System aufzudecken. Ingenieure können auch die CAD-Import- und Messwerkzeuge von LightTools verwenden, um Folgendes zu bestimmen:

• Abstand zwischen Augenbox und Windschutzscheibe
• Ungefährer Einfallswinkel auf die Windschutzscheibe
• Abstand zwischen Windschutzscheibe und Armaturenbrett

Die LightTools-Simulation der Leistungsfähigkeit optischer Systeme in der realen Welt ist für Anwender von Keysight-Konstruktionsprodukten ein hervorragendes Hilfsmittel bei ihrer Arbeit.

Der Hauptunterschied zwischen Augmented-Reality- (AR) und Virtual-Reality- (VR) Optiken liegt in ihrer Interaktion mit der realen Umgebung. VR-Optiken simulieren die gesamte visuelle Umgebung und lassen den Nutzer in eine vollständig virtuelle Welt eintauchen. AR-Optiken hingegen erfassen die reale Umgebung und überlagern sie mit digitalen Informationen, wodurch simulierte und reale Elemente visuell miteinander verschmelzen.

Bei AR ist das Display typischerweise transparent, sodass Nutzer sowohl die reale Welt als auch digitale Erweiterungen gleichzeitig sehen können. VR-Displays hingegen zeigen nur die simulierte Umgebung und blenden die reale Welt aus.

Zu den wichtigsten Unterschieden zwischen AR- und VR-Optiken gehören:

• Anforderungen an das Display: AR benötigt Displays mit hoher Leuchtdichte, um die Sichtbarkeit in hellen Umgebungen wie im Freien oder in Operationssälen zu gewährleisten.
• Optische Präzision: Bei durchsichtigen AR-Head-Mounted-Displays (HMDs) sollte der Winkelregistrierungsfehler – die Differenz des Winkels zwischen realem und virtuellem Bild – für eine optimale Bildschärfe unter 1 bis 3 Bogenminuten liegen.
• Designüberlegungen: AR-Headsets nutzen häufig ein gefaltetes optisches Design, um ein weites Sichtfeld bei gleichzeitig kompakter Bauform zu erzielen. Diese Geräte müssen einen optischen Kombinator integrieren, der reflektiertes Licht aus virtuellen Szenen mit transmittiertem Licht aus der realen Welt kombiniert. Für Prototypen verwenden Entwickler üblicherweise Strahlteiler, während holografische optische Elemente (HOEs) eine dünnere und flachere Lösung für bestimmte Wellenlängen bieten.

Diese Beispiele veranschaulichen, wie Augmented-Reality-Optiken eine Vielzahl von Branchen verändern, indem sie das Situationsbewusstsein verbessern, die Entscheidungsfindung optimieren und interaktivere Erlebnisse schaffen.

• Head-up-Displays (HUDs) für die Fahrt: Liefern Echtzeitinformationen auf der Windschutzscheibe, um den Fahrer zu unterstützen.
• Chirurgische Unterstützung: Blendet während medizinischer Operationen Verfahrensanweisungen und hilfreiche Daten ein.
• Kampfunterstützung: Bietet verbesserte Lageerkennung und Zielinformationen für das Militärpersonal.