¿Qué es la óptica de realidad aumentada?

Para activar la realidad aumentada (RA), un sistema óptico proyecta imágenes digitales sobre una pantalla transparente situada delante de los ojos del usuario, superponiendo información virtual al entorno real. Esto se puede lograr mediante diferentes tipos de pantallas, como visores montados en la cabeza (HMD), dispositivos portátiles como tabletas o pantallas fijas como los parabrisas.

Cascos de realidad aumentada y pantallas integradas

Un sistema óptico típico de RA consta de tres componentes principales:

• Fuentes de luz: Las micro pantallas, como los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) o las pantallas de cristal líquido (LCD), generan las imágenes aumentadas. Los cascos de realidad virtual binoculares utilizan dos pantallas, una para cada ojo, para crear un efecto 3D mediante estereoscopía. Los cascos de realidad virtual holográficos utilizan moduladores espaciales de luz (SLM) para producir luz coherente modulada y lograr una proyección de imágenes avanzada.
• Receptores: Los ojos del usuario perciben tanto las imágenes del mundo real como las imágenes aumentadas.
• Elementos ópticos: Las lentes y los combinadores mezclan la luz de las micropantallas con la luz del entorno real y proyectan la imagen combinada hacia los ojos del usuario. En las gafas de RA, por ejemplo, la imagen de la micropantalla atraviesa una serie de componentes ópticos —entre los que se incluyen lentes de modelado del haz, prismas y lentes graduadas— antes de fusionarse con la escena real para el observador.

Figura 1. Diagrama esquemático de la RA con prescripción :

(a) Vista lateral que muestra la trayectoria del haz de RA. La lente graduada sirve para corregir la visión y como guía de ondas de la imagen de RA. Una lente conformadora de haz refracta los rayos de luz procedentes de una micropantalla que entran en la lente graduada a través de un prisma de acoplamiento y crean una imagen virtual ampliada a una distancia determinada de la lente.

(b) Parámetros geométricos en el sistema AR de Prescription.

(c) El diagrama en 3D de los componentes ópticos.

Reproducido con permiso. © The Optical Society.

Las aberraciones ópticas pueden afectar a la calidad de la imagen en los cascos de realidad aumentada (HMD), al igual que en otros sistemas ópticos. Aberraciones como la aberración cromática, la aberración esférica, la coma, el astigmatismo, la curvatura de campo y la distorsión pueden provocar borrosidad o deformaciones en las imágenes proyectadas. Es fundamental un diseño y una optimización minuciosos para minimizar estas aberraciones y mejorar la nitidez visual.

El diseño de ópticas de RA requiere una combinación de herramientas de software especializadas y conocimientos técnicos de múltiples disciplinas de ingeniería. Los ingenieros ópticos utilizan software para crear y optimizar sistemas de imagen, analizar la luz parásita y diseñar elementos ópticos difractivos. Los ingenieros mecánicos necesitan herramientas CAD para diseñar el sistema y realizar análisis térmicos y estructurales. Los ingenieros eléctricos también pueden participar en la implementación del seguimiento ocular y en la gestión de las señales enviadas al sistema óptico.

El flujo de trabajo

Sistemas ópticos:

• Puede utilizar el software de diseño óptico CODE V para trazar los rayos a través del sistema óptico, optimizar el sistema con el fin de reducir las aberraciones, disminuir la distorsión y aumentar la resolución, tal y como se muestra en un visor montado en la cabeza. También puede utilizar la óptica de realidad aumentada para visores de cabeza (HUD) de automóviles, modelados en CODE V (véase la siguiente sección). A continuación, exporte la geometría a LightTools.
• El software de diseño de iluminación LightTools permite simular la iluminación, la luz difusa y las imágenes fantasma. También puede utilizar LightTools para optimizar la uniformidad de la iluminación.

Diseño de rejillas mediante software de diseño fotónico:

Las rejillas difractivas acoplan la luz a la placa de guía de onda y la acoplan desde la placa hacia los ojos. Las rejillas deben diseñarse adecuadamente para que el sistema óptico produzca buenas imágenes. Para el diseño y la optimización de las rejillas, se pueden optimizar en función de parámetros como el ángulo de difracción y las eficiencias de cualquier orden o combinación de órdenes.

• RSoft DiffractMOD RCWA es una herramienta muy eficaz para calcular con rigor las propiedades de difracción de dispositivos con periodicidad transversal.
• RSoft FullWAVE FDTD es otra potente herramienta que permite calcular con rigor las propiedades de difracción de los dispositivos con periodicidad transversal cuando sea necesario.
• La optimización RSoft MOST en el entorno CAD de RSoft ofrece un método práctico para optimizar rejillas con RSoft FullWAVE o RSoft DiffractMOD.

Una vez creadas las rejillas, puede exportar la información de la función de distribución de la dispersión bidireccional (BSDF) y los archivos de diseño directamente a LightTools para definir una propiedad de la superficie. Todas las propiedades difractivas se incluyen en los archivos BSDF de RSoft, que contienen información sobre cómo dispersa la luz una superficie, como una película delgada o unos patrones.

Una pantalla de visualización frontal (HUD) amplía el campo de visión del conductor con una imagen procedente de una pantalla. Se necesita un software para simular los rayos que atraviesan el parabrisas y para evaluar la calidad de la imagen proyectada.

CODE V cuenta con potentes funciones de aplicación en el ámbito del diseño de HUD para abordar una amplia gama de retos de diseño de sistemas optomecánicos. Los ingenieros pueden utilizar este software de diseño óptico para la visualización CAD y el trazado de rayos. CODE V es compatible con nuevas superficies de forma libre, lo que ofrece una mayor libertad de diseño para sistemas compactos de combinación de pantallas y visores. Estas superficies mejoran el control de las aberraciones a medida que aumenta la resolución de la pantalla a la altura del ojo del observador (píxeles de mayor densidad) y se reducen los tamaños de los dispositivos.

Una vez completado el diseño, es importante verificar el rendimiento final del sistema con respecto a los criterios nominales y el rendimiento real del sistema tal como fue construido. Para ello, LightTools es el siguiente paso lógico para la simulación del visor. Un trazado inverso de rayos desde objetos de color espectral que representan una imagen de visualización en LightTools muestra la imagen HUD proyectada para un visor (sobre una escena modelo). Una simulación de LightTools también puede ayudar a descubrir problemas imprevistos con imágenes parásitas o reflejos en el sistema. Además, los ingenieros pueden utilizar las herramientas de importación CAD y medición de LightTools para determinar:

• Distancia entre el campo de visión y el parabrisas
• Ángulo aproximado de incidencia sobre el parabrisas
• Distancia entre el parabrisas y el salpicadero

La simulación que ofrece LightTools del rendimiento de los sistemas ópticos en el mundo real es un recurso excelente para los usuarios de los productos de ingeniería de diseño de Keysight en su trabajo.

La principal diferencia entre la óptica de la realidad aumentada (RA) y la de la realidad virtual (RV) radica en cómo interactúan con el entorno real. La óptica de la RV simula todo el entorno visual, sumergiendo a los usuarios en un mundo completamente virtual. Por el contrario, la óptica de la RA capta el entorno real y superpone información digital sobre él, combinando elementos simulados y reales a través de una pantalla.

En la RA, la pantalla suele ser transparente, lo que permite a los usuarios ver simultáneamente tanto el mundo real como los elementos digitales superpuestos. Las pantallas de RV, por el contrario, solo muestran el entorno simulado, bloqueando la visión del mundo real.

Entre las principales diferencias entre la óptica de RA y la de RV se incluyen:

• Requisitos de pantalla: La RA requiere pantallas de alta luminosidad para garantizar la visibilidad en entornos luminosos, como el exterior o los quirófanos.
• Precisión óptica: En el caso de los visores de realidad aumentada (HMD) transparentes, el error de registro angular —la diferencia de ángulo entre la imagen real y la virtual— debe mantenerse por debajo de 1 a 3 minutos de arco para lograr una nitidez óptima.
• Consideraciones de diseño: Los cascos de realidad aumentada (HMD) suelen emplear un diseño óptico plegado para lograr un amplio campo de visión (FOV) sin renunciar a un tamaño compacto. Estos dispositivos deben integrar un combinador óptico que fusione la luz reflejada de las escenas virtuales con la luz transmitida del mundo real. Los diseñadores suelen utilizar divisores de haz para la creación de prototipos, mientras que los elementos ópticos holográficos (HOE) ofrecen una solución más delgada y plana para longitudes de onda específicas.

Estos ejemplos ilustran cómo la óptica de realidad aumentada está transformando una amplia gama de sectores al mejorar la percepción del entorno, optimizar la toma de decisiones y crear experiencias más interactivas.

• Pantallas de visualización frontal (HUD) para la conducción: proporcionan información en tiempo real en el parabrisas para ayudar a los conductores.
• Asistencia quirúrgica: muestra instrucciones sobre el procedimiento y datos útiles durante las intervenciones médicas.
• Ayuda en combate: proporciona al personal militar una mejor percepción de la situación e información sobre los objetivos.