Qu'est-ce que l'optique de réalité augmentée ?

Pour activer la réalité augmentée (RA), un système optique projette des images numériques sur un écran transparent placé devant les yeux de l'utilisateur, superposant ainsi des informations virtuelles à l'environnement réel. Cela peut se faire à l'aide de différents types d'écrans, tels que des casques de réalité virtuelle (HMD), des appareils portables comme les tablettes, ou des écrans fixes comme les pare-brise.

Casques de réalité augmentée et écrans intégrés

Un système optique de réalité augmentée classique se compose de trois éléments principaux :

• Sources lumineuses : les micro-écrans, tels que les diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou les écrans à cristaux liquides (LCD), génèrent les images augmentées. Les casques de réalité virtuelle binoculaires utilisent deux écrans, un pour chaque œil, afin de créer un effet 3D grâce à la stéréoscopie. Les casques de réalité virtuelle holographiques utilisent des modulateurs spatiaux de lumière (SLM) pour produire une lumière cohérente modulée permettant une projection d'images de haute qualité.
• Récepteurs : les yeux de l'utilisateur perçoivent à la fois les images du monde réel et les images augmentées.
• Éléments optiques : les lentilles et les combinateurs mélangent la lumière provenant des micro-écrans à celle de l'environnement réel, puis projettent l'image combinée vers les yeux de l'utilisateur. Dans les lunettes de RA, par exemple, l'image du micro-écran traverse une série de composants optiques, notamment des lentilles de mise en forme du faisceau, des prismes et des verres correcteurs, avant d'être fusionnée avec la scène réelle pour l'observateur.

Figure 1. Schéma de principe de la réalité augmentée sur ordonnance :

(a) Vue latérale illustrant le trajet du faisceau AR. La lentille correctrice assure à la fois la correction visuelle et le guidage d'onde de l'image AR. Une lentille de mise en forme du faisceau réfracte les rayons lumineux provenant d'un micro-écran qui pénètrent dans la lentille correctrice via un prisme de couplage et créent une image virtuelle agrandie à une distance prédéfinie de la lentille.

(b) Paramètres géométriques du système Prescription AR.

(c) Le schéma en 3D des composants optiques.

Reproduit avec autorisation. © The Optical Society.

Tout comme dans d'autres systèmes optiques, les aberrations optiques peuvent nuire à la qualité d'image des casques de réalité augmentée (HMD). Des aberrations telles que l'aberration chromatique, l'aberration sphérique, la coma, l'astigmatisme, la courbure de champ et la distorsion peuvent entraîner un flou ou une déformation des images projetées. Une conception minutieuse et une optimisation rigoureuse sont indispensables pour réduire ces aberrations au minimum et améliorer la clarté visuelle.

La conception d'optiques pour la réalité augmentée nécessite à la fois des outils logiciels spécialisés et l'expertise de plusieurs disciplines d'ingénierie. Les ingénieurs en optique utilisent des logiciels pour créer et optimiser des systèmes d'imagerie, analyser la lumière parasite et concevoir des éléments optiques diffractifs. Les ingénieurs en mécanique ont besoin d'outils de CAO pour concevoir le système et effectuer des analyses thermiques et structurelles. Les ingénieurs en électricité peuvent également être amenés à intervenir pour mettre en œuvre le suivi oculaire et gérer les signaux envoyés au système optique.

Le flux de travail

Systèmes optiques :

• Vous pouvez utiliser le logiciel de conception optique CODE V pour tracer les rayons à travers le système optique, optimiser ce dernier afin de réduire les aberrations, diminuer la distorsion et améliorer la résolution, comme illustré dans le cas d'un casque de réalité virtuelle. Vous pouvez également utiliser des optiques de réalité augmentée pour les affichages tête haute (HUD) destinés à l'automobile, modélisées dans CODE V (voir la section suivante). Exportez ensuite la géométrie vers LightTools.
• Le logiciel de conception d'éclairage LightTools permet de modéliser l'éclairage, la lumière parasite et les images fantômes. Vous pouvez également utiliser LightTools pour optimiser l'uniformité de l'éclairage.

Concevoir des réseaux à l'aide d'un logiciel de conception photonique:

Les réseaux de diffraction couplent la lumière dans la plaque de guide d'ondes et la font sortir de la plaque pour atteindre les yeux. Les réseaux doivent être conçus de manière adéquate afin que le système optique produise des images de bonne qualité. Pour la conception et l'optimisation des réseaux, vous pouvez optimiser ces derniers en fonction de paramètres tels que l'angle de diffraction et les rendements de n'importe quel ordre ou combinaison d'ordres.

• RSoft DiffractMOD RCWA est un outil très performant permettant de calculer avec rigueur les propriétés de diffraction des dispositifs à périodicité transversale.
• RSoft FullWAVE FDTD est un autre outil performant permettant de calculer avec rigueur les propriétés de diffraction des dispositifs à périodicité transversale lorsque cela s'avère nécessaire.
• La fonction d'optimisation RSoft MOST, intégrée à l'environnement de CAO RSoft, offre une méthode pratique pour optimiser les réseaux de diffraction à l'aide de RSoft FullWAVE ou de RSoft DiffractMOD.

Une fois les réseaux de diffraction créés, vous pouvez exporter les informations relatives à la fonction de distribution de diffusion bidirectionnelle (BSDF) ainsi que les fichiers de disposition directement vers LightTools afin de définir une propriété de surface. Toutes les propriétés diffractives sont incluses dans les fichiers BSDF de RSoft, qui contiennent des informations sur la manière dont une surface, telle qu'un film mince ou des motifs, diffuse la lumière.

Un affichage tête haute (HUD) enrichit le champ de vision du conducteur en y superposant une image provenant d'un écran. Il faut un logiciel pour modéliser les rayons traversant le pare-brise et pour évaluer la qualité de l'image projetée.

CODE V offre de puissantes fonctionnalités dans le domaine de la conception de visores (HUD) pour relever un large éventail de défis liés à la conception de systèmes opto-mécaniques. Les ingénieurs peuvent utiliser ce logiciel de conception optique pour la visualisation CAO et le traçage de rayons. CODE V prend en charge de nouvelles surfaces de forme libre, offrant ainsi une plus grande liberté de conception pour les systèmes compacts de combinaison de visores. Ces surfaces améliorent le contrôle des aberrations à mesure que la résolution d'affichage augmente au niveau de l'œil de l'observateur (pixels d'affichage à plus haute densité) et que les formats s'amenuisent.

Une fois la conception terminée, il est important de vérifier les performances finales du système par rapport aux critères nominaux et les performances réelles du système tel que construit. Pour cela, LightTools est l'étape logique suivante pour la simulation côté observateur. Un tracé de rayons inversé à partir d'objets de couleur spectrale représentant une image d'affichage dans LightTools montre l'image HUD projetée pour un observateur (sur une scène modélisée). Une simulation LightTools peut également aider à détecter des problèmes imprévus liés aux images parasites ou aux réflexions dans le système. De plus, les ingénieurs peuvent utiliser les outils d'importation CAO et de mesure de LightTools pour déterminer :

• Distance entre l'Eyebox et le pare-brise
• Angle d'incidence approximatif sur le pare-brise
• Distance entre le pare-brise et le tableau de bord

La simulation par LightTools des performances des systèmes optiques réels constitue un atout précieux pour les utilisateurs des produits d'ingénierie de conception de Keysight dans le cadre de leur travail.

La principale différence entre les technologies de réalité augmentée (RA) et de réalité virtuelle (RV) réside dans la manière dont elles interagissent avec l'environnement réel. Les technologies de RV simulent l'ensemble de l'environnement visuel, plongeant les utilisateurs dans un monde entièrement virtuel. À l'inverse, les technologies de RA capturent l'environnement réel et y superposent des informations numériques, fusionnant ainsi les éléments simulés et réels via un affichage visuel.

En réalité augmentée (RA), l'affichage est généralement transparent, ce qui permet aux utilisateurs de voir à la fois le monde réel et les éléments numériques ajoutés. Les écrans de réalité virtuelle (RV), en revanche, ne présentent que l'environnement simulé, masquant ainsi le monde réel.

Les principales différences entre les optiques de RA et de RV sont les suivantes :

• Exigences en matière d'affichage : la réalité augmentée nécessite des écrans à forte luminosité pour garantir une bonne visibilité dans des environnements très éclairés, comme à l'extérieur ou dans les salles d'opération.
• Précision optique : pour les casques de réalité augmentée (HMD) transparents, l'erreur d'alignement angulaire — c'est-à-dire la différence d'angle entre l'image réelle et l'image virtuelle — doit être maintenue en dessous de 1 à 3 minutes d'arc pour une clarté optimale.
• Considérations techniques : les casques de réalité augmentée (AR HMD) recourent souvent à une conception optique à faisceaux croisés pour offrir un large champ de vision (FOV) tout en conservant un format compact. Ces appareils doivent intégrer un combinateur optique qui fusionne la lumière réfléchie par les scènes virtuelles avec la lumière transmise par le monde réel. Les concepteurs utilisent généralement des séparateurs de faisceaux pour le prototypage, tandis que les éléments optiques holographiques (HOE) constituent une solution plus fine et plus plate pour certaines longueurs d'onde spécifiques.

Ces exemples montrent comment les technologies optiques de réalité augmentée transforment un large éventail de secteurs en améliorant la perception de l'environnement, en facilitant la prise de décision et en offrant des expériences plus interactives.

• Affichages tête haute (HUD) pour la conduite : ils fournissent des informations en temps réel sur le pare-brise afin d'aider les conducteurs.
• Assistance chirurgicale : affiche des instructions opératoires et des informations utiles pendant les interventions médicales.
• Aide au combat : fournit au personnel militaire une meilleure connaissance de la situation et des informations de ciblage.