¿Qué es la óptica de realidad virtual?

Definición de óptica de realidad virtual

La óptica de la realidad virtual (RV) abarca los componentes especializados de un sistema de RV que crean una experiencia visual inmersiva para el usuario. Algunos ejemplos son:

• Cámaras que capturan datos sin procesar para la simulación de escenas
• Fibra óptica utilizada en guantes y prendas de vestir para enviar y recibir datos
• Visores montados en la cabeza (HMD) que generan una percepción tridimensional
• Pantallas de proyección inmersivas y semiinmersivas
• Sensores que registran los movimientos del usuario y de sus ojos.

En la actualidad, los dispositivos ópticos de realidad virtual que suscitan mayor interés son los visores montados en la cabeza (HMD), también conocidos como visores de visión cercana.

Para que la realidad virtual funcione, el casco de realidad virtual debe contar con un sistema óptico que proyecte una imagen en una pantalla situada delante de los ojos.

En este sistema óptico, un casco de realidad virtual (HMD) incluye fuentes de luz (pantalla), receptores (ojos) y elementos ópticos (lentes).

• Las fuentes de luz de un casco de realidad virtual (HMD) son micropantallas, como los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) o las pantallas de cristal líquido (LCD). Un casco de realidad virtual binocular suele tener dos pantallas que proporcionan imágenes independientes para cada ojo y generan una percepción tridimensional mediante estereoscopía. En un casco de realidad virtual holográfico, la fuente de luz es luz coherente modulada procedente de un modulador espacial de luz (SLM).
• Los sensores de los cascos de realidad virtual son los ojos del usuario.
• Los elementos ópticos recogen la luz de la fuente y generan representaciones de un mundo virtual en 3D. Un casco de realidad virtual (HMD) ideal debe ser capaz de proporcionar una imagen de alta resolución dentro de un amplio campo de visión (FOV), al tiempo que ofrece señales de acomodación para la percepción 3D y cuenta con un amplio campo de visión (pupila de salida) en un diseño compacto [2].

Figura 1. Estructura de un casco de realidad virtual (HMD). Fuente: https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

Uno de los requisitos más importantes para los cascos de realidad virtual (HMD) es un buen diseño ergonómico, lo que significa que el casco debe ser cómodo de llevar y de usar durante periodos prolongados. Para que resulte cómodo de llevar, el casco debe ser compacto y ligero. Lo ideal es que su peso y tamaño no superen los de unas gafas. Para que resulte cómodo de usar, el casco debe proporcionar puntos de vista adecuados en función de la posición de la cabeza y el punto de mirada del usuario. El casco también debe tener un espacio libre adecuado para los ojos, un tamaño de pupila lo suficientemente grande como para permitir un movimiento ocular natural, una distancia interpupilar (IPD) adecuada y una divergencia y dipvergencia bajas.

Las principales limitaciones del diseño óptico de los cascos de realidad virtual (HMD) son el tamaño de la pupila (caja ocular), la distancia ocular, la divergencia, la dipvergencia y la distancia interpupilar (IPD) (véase la figura 2).

El campo de visión (FOV) es importante

Un objetivo de diseño importante para los cascos de realidad virtual (HMD) es adaptarse a las características de la imagen del sistema visual humano. El campo de visión (FOV) del ojo humano es de aproximadamente 120 grados en vertical y de casi 360 grados en horizontal, teniendo en cuenta la rotación ocular y los movimientos de la cabeza. El campo de visión binocular, dentro del cual un objeto es visible para ambos ojos, es de unos 114 grados [5].

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

Consideración de las anomalías en el diseño

Los efectos de las aberraciones en la calidad de la imagen de los cascos de realidad virtual (HMD) son similares a los de otros sistemas ópticos. Aberraciones como la aberración cromática axial, la aberración esférica, la coma, el astigmatismo y la curvatura de campo provocan desenfoque. Aberraciones como la distorsión, la coma y la aberración cromática lateral provocan deformaciones. El control de las aberraciones es importante en el diseño de la óptica de los cascos de realidad virtual (HMD).

Otros factores en el diseño de los cascos de realidad virtual

Los avances en el diseño de cascos de realidad virtual aprovechan las superficies asféricas, los elementos ópticos difractivos (DOE), los elementos ópticos holográficos (HOE), las lentes sintonizables y la óptica plástica.

• Las superficies asféricas ayudan a controlar las aberraciones de las lentes y a reducir el número de elementos.
• Los DOE ofrecen interesantes propiedades de dispersión, con una dispersión cromática negativa en las lentes positivas.
• Los HOE tienen un tamaño reducido y pueden funcionar como un divisor de haz.
• Las lentes ajustables pueden ampliar el rango de profundidad.
• Los componentes de plástico son económicos y ligeros.

Aunque estas tecnologías avanzadas permiten mejorar el tamaño del campo visual y el ángulo de visión del dispositivo de realidad virtual, a menudo comprometen su diseño. Para paliar este problema, las nuevas líneas de desarrollo incluyen cascos de realidad virtual con seguimiento ocular integrado, pantallas multifocales y varifocales, pantallas de oclusión, pantallas holográficas y pantallas de campo de luz.

El software de diseño óptico es una herramienta importante para diseñar ópticas de realidad virtual. El diseño de un sistema óptico de realidad virtual de calidad requiere varios tipos de software:

• El ingeniero óptico necesita un software para crear y optimizar el sistema de imagen, analizar la luz parásita en la trayectoria óptica y diseñar elementos ópticos difractivos.
• El ingeniero mecánico necesita un programa de CAD para dibujar el esquema del sistema y realizar análisis térmicos y estructurales.
• Es posible que el ingeniero eléctrico necesite un programa informático para seguir el movimiento ocular y enviar la señal al sistema óptico.

Keysight ofrece un conjunto completo de herramientas para simular dispositivos de RA/RV.

A continuación se presenta un flujo de trabajo para el diseño de sistemas ópticos mediante software de diseño óptico:

• El software de diseño óptico CODE V permite trazar los rayos a través del sistema óptico, optimizar el sistema para reducir las aberraciones, disminuir la distorsión y aumentar la resolución.
• El software de diseño de iluminación LightTools permite simular la iluminación, la luz parásita y las imágenes fantasma. LightTools también permite optimizar la uniformidad de la iluminación. La luz parásita puede provocar artefactos en la imagen y puntos brillantes.

Las rejillas difractivas acoplan la luz a la placa de guía de onda y la acoplan desde la placa hacia los ojos. Debes diseñar las rejillas adecuadamente para que el sistema óptico produzca buenas imágenes. Puedes diseñar y optimizar las rejillas en función del ángulo de difracción, las eficiencias, etc., en cualquier orden o combinación de órdenes.

Para diseñar rejillas, puede utilizar las herramientas de diseño fotónico RSoft de Keysight:

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

Una vez construidas 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. Los archivos BSDF de RSoft contienen información sobre cómo una superficie (película delgada, patrones, etc.) dispersa la luz, incluidas todas las propiedades difractivas.

En la realidad virtual (RV), la pantalla solo tiene que mostrar el entorno simulado. En la realidad aumentada (RA), la pantalla suele ser transparente para combinar el entorno simulado con el entorno real.

Existen algunas diferencias entre la óptica de la realidad virtual y la de la realidad aumentada:

• En primer lugar, la RA requiere pantallas de alta luminosidad, especialmente en entornos luminosos como el exterior o los quirófanos.
• En segundo lugar, la divergencia de inclinación debería ser inferior a entre 1 y 3 minutos de arco en los cascos de realidad aumentada (HMD) con visión directa.
• Por último, los cascos de realidad virtual transparentes suelen adoptar un diseño plegable para ofrecer un amplio campo de visión y un tamaño compacto. Estos cascos deben integrar un combinador óptico que combine la luz reflejada de la escena virtual con la luz transmitida por los objetos del mundo real. En la fase de prototipado se suele utilizar un divisor de haz como combinador. Los HOE pueden reducir el tamaño del combinador, ya que son finos y planos y pueden funcionar como un divisor de haz para una longitud de onda específica.

• Educación y formación: La simulación de vuelos militares y el entrenamiento de combate en el campo de batalla, la formación médica para intervenciones quirúrgicas y situaciones de emergencia, así como la educación de los pacientes, incorporan la realidad virtual para ayudar a las personas a experimentar los procedimientos y comprender qué pueden esperar. La realidad virtual también facilita el aprendizaje a distancia al recrear entornos de aula o escenas históricas, y ofrece experiencias inmersivas en museos.
• Ingeniería: La realidad virtual facilita el diseño en 3D y la creación de prototipos virtuales, lo que permite a los ingenieros visualizar y perfeccionar los productos antes de su desarrollo físico.

• Interacción social y comercio: la realidad virtual permite interactuar virtualmente con compañeros de trabajo o clientes, ofrece salas de exposición para las compras en línea y proporciona experiencias en 3D para visitas a inmuebles.
• Entretenimiento: La realidad virtual mejora las experiencias de juego y el turismo al sumergir a los usuarios en entornos interactivos.
• Rehabilitación médica y cirugía a distancia: la realidad virtual sirve de apoyo a la terapia de exposición psicológica, a la rehabilitación de enfermedades como el Alzheimer y a las intervenciones quirúrgicas a distancia.