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

Définition de l'optique de réalité virtuelle

L'optique de réalité virtuelle (RV) désigne les composants spécialisés d'un système de RV qui permettent de créer une expérience visuelle immersive pour l'utilisateur. En voici quelques exemples :

• Caméras qui capturent des données brutes pour la simulation de scènes
• La fibre optique utilisée dans les gants et les vêtements pour transmettre et recevoir des données
• Casques de réalité virtuelle (HMD) permettant une perception en 3D
• Écrans de projection immersifs et semi-immersifs
• Des capteurs qui suivent les mouvements de l'utilisateur et de ses yeux.

À l'heure actuelle, les dispositifs optiques de réalité virtuelle qui suscitent le plus d'intérêt sont les casques de réalité virtuelle (HMD), également appelés « écrans proches de l'œil ».

Pour que la réalité virtuelle fonctionne, le casque de réalité virtuelle doit être équipé d'un système optique capable de projeter une image sur un écran situé devant vos yeux.

Dans ce système optique, un casque de réalité virtuelle comprend des sources lumineuses (écran), des récepteurs (yeux) et des éléments optiques (lentilles).

• Les sources lumineuses d'un casque de réalité virtuelle (HMD) sont des micro-écrans, tels que des diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou des écrans à cristaux liquides (LCD). Un casque binoculaire comporte généralement deux écrans qui fournissent des images distinctes pour chaque œil et créent une perception 3D grâce à la stéréoscopie. Dans un casque holographique, la source lumineuse est constituée d'une lumière cohérente modulée provenant d'un modulateur spatial de lumière (SLM).
• Les capteurs des casques de réalité virtuelle sont les yeux de l'utilisateur.
• Les éléments optiques captent la lumière provenant de la source et génèrent des représentations d'un monde virtuel en 3D. Un casque de réalité virtuelle (VR HMD) idéal doit être capable de fournir une image haute résolution dans un large champ de vision (FOV), tout en intégrant des repères d'accommodation pour la perception 3D, et doit disposer d'une large zone de vision (pupille de sortie) dans un format compact [2].

Figure 1. Structure d'un casque de réalité virtuelle. Source : https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

L'une des exigences les plus importantes pour les casques de réalité virtuelle (HMD) est une conception ergonomique de qualité, ce qui signifie que le casque doit être confortable à porter et offrir un confort visuel lors d'une utilisation prolongée. Pour être confortable à porter, le casque doit être compact et léger. Idéalement, son poids et ses dimensions ne devraient pas dépasser ceux d'une paire de lunettes. Pour offrir un confort visuel, le casque doit fournir des points de vue adaptés en fonction de la position de la tête et du point de regard de l'utilisateur. Le casque doit également offrir un espace suffisant pour les yeux, une taille de pupille suffisamment grande pour permettre un mouvement naturel des yeux, une distance interpupillaire (IPD) appropriée, ainsi qu'une faible divergence et dipvergence.

Les principales contraintes de conception optique des casques de réalité virtuelle (HMD) sont la taille de la pupille (zone de vision), la distance interpupillaire, la divergence, la dip-divergence et l'IPD (voir figure 2).

Le champ de vision (FOV) est important

L'un des principaux objectifs de conception des casques de réalité virtuelle (VR HMD) est de reproduire les caractéristiques visuelles du système visuel humain. Le champ de vision de l'œil humain est d'environ 120 degrés à la verticale et de près de 360 degrés à l'horizontale, en tenant compte de la rotation des yeux et des mouvements de la tête. Le champ de vision binoculaire, c'est-à-dire l'angle dans lequel un objet est visible par les deux yeux, est d'environ 114 degrés [5].

Figure 3. Schéma du champ de vision. Source : https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

Prise en compte des anomalies dans la conception

Les effets des aberrations sur la qualité d'image dans les casques de réalité virtuelle (HMD) sont similaires à ceux observés dans d'autres systèmes optiques. Des aberrations telles que l'aberration chromatique axiale, l'aberration sphérique, la coma, l'astigmatisme et la courbure de champ provoquent un flou. Des aberrations telles que la distorsion, la coma et l'aberration chromatique latérale entraînent une déformation. La correction des aberrations est un élément essentiel dans la conception des systèmes optiques des casques de réalité virtuelle (HMD).

Autres facteurs à prendre en compte dans la conception des casques de réalité virtuelle

Les avancées en matière de conception des casques de réalité virtuelle s'appuient sur les surfaces asphériques, les éléments optiques diffractifs (DOE), les éléments optiques holographiques (HOE), les lentilles réglables et les composants optiques en plastique.

• Les surfaces asphériques permettent de corriger les aberrations optiques et de réduire le nombre de lentilles.
• Les verres DOE présentent des propriétés de dispersion intéressantes, avec une dispersion chromatique négative dans les verres positifs.
• Les HOE sont de petite taille et peuvent fonctionner comme un séparateur de faisceau.
• Les verres photochromiques permettent d'élargir la plage de profondeur.
• Les composants en plastique sont peu coûteux et légers.

Bien que ces technologies de pointe permettent d'améliorer la taille de la zone de vision et le champ de vision des casques de réalité virtuelle, elles compromettent souvent leur format. Pour pallier ce problème, de nouvelles pistes de développement sont à l'étude, notamment les casques de réalité virtuelle intégrant un système de suivi oculaire, les écrans multifocaux ou à focale variable, les écrans à occlusion, les écrans holographiques et les écrans à champ lumineux.

Les logiciels de conception optique constituent un outil essentiel pour la conception d'optiques de réalité virtuelle. La conception d'un système optique de réalité virtuelle de qualité nécessite plusieurs types de logiciels :

• L'ingénieur en optique a besoin d'un logiciel pour créer et optimiser le système d'imagerie, analyser la lumière parasite dans le trajet optique et concevoir des éléments optiques diffractifs.
• L'ingénieur en mécanique a besoin d'un logiciel de CAO pour dessiner le schéma du système et réaliser des analyses thermiques et structurelles.
• L'ingénieur électricien pourrait avoir besoin d'un logiciel pour suivre les mouvements oculaires et transmettre le signal au système optique.

Keysight propose une gamme complète d'outils permettant de simuler des appareils de réalité augmentée (RA) et de réalité virtuelle (RV).

Voici une procédure de conception de systèmes optiques à l'aide d'un logiciel de conception optique :

• Le logiciel de conception optique CODE V permet de suivre le trajet des rayons à travers le système optique, d'optimiser ce dernier afin de réduire les aberrations, de diminuer la distorsion et d'améliorer la résolution.
• Le logiciel de conception d'éclairage LightTools permet de modéliser l'éclairage, la lumière parasite et les images fantômes. LightTools permet également d'optimiser l'uniformité de l'éclairage. La lumière parasite peut entraîner l'apparition d'artefacts sur l'image et de taches lumineuses.

Les réseaux de diffraction couplent la lumière dans la plaque de guide d'ondes et la font sortir de la plaque pour l'acheminer vers les yeux. Vous devez concevoir ces réseaux de manière appropriée afin que le système optique produise des images de bonne qualité. Vous pouvez concevoir et optimiser les réseaux en fonction de l'angle de diffraction, des rendements, etc., dans n'importe quel ordre ou combinaison d'ordres.

Pour concevoir des réseaux de diffraction, vous pouvez utiliser les outils de conception photonique RSoft de Keysight:

• DiffractMOD RCWA est un outil très performant permettant de calculer avec rigueur les propriétés de diffraction des dispositifs à périodicité transversale.
• FullWAVE FDTD est un autre outil puissant permettant de calculer avec rigueur les propriétés de diffraction des dispositifs à périodicité transversale.
• La fonction d'optimisation MOST dans l'environnement CAO RSoft offre une méthode pratique pour optimiser les réseaux de diffraction à l'aide de FullWAVE ou de 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. Les fichiers BSDF de RSoft contiennent des informations sur la manière dont une surface (couche mince, motifs, etc.) diffuse la lumière, y compris toutes ses propriétés diffractives.

En réalité virtuelle (RV), l'écran doit uniquement afficher l'environnement simulé. En réalité augmentée (RA), l'écran est souvent transparent afin de superposer l'environnement simulé à l'environnement réel.

Il existe quelques différences entre les optiques de réalité virtuelle et celles de réalité augmentée :

• Tout d'abord, la réalité augmentée nécessite des écrans à forte luminosité, en particulier dans les environnements très éclairés, comme à l'extérieur ou dans les salles d'opération.
• Deuxièmement, la divergence de l'angle de vision devrait être inférieure à 1 à 3 minutes d'arc pour les casques de réalité augmentée (HMD) transparents.
• Enfin, les casques de réalité virtuelle transparents adoptent souvent une conception pliable afin d'offrir un large champ de vision et un format compact. Ces casques doivent intégrer un combinateur optique permettant de superposer la lumière réfléchie par la scène virtuelle et la lumière transmise par les objets du monde réel. Lors de la phase de prototypage, on utilise souvent un séparateur de faisceau comme combinateur. Les HOE peuvent réduire l'encombrement du combinateur, car ils sont minces et plats et peuvent fonctionner comme un séparateur de faisceau pour une longueur d'onde spécifique.

• Éducation et formation : la simulation de vol militaire et l'entraînement au combat sur le terrain, la formation médicale pour la chirurgie et les situations d'urgence, ainsi que l'information des patients intègrent la réalité virtuelle afin d'aider les personnes à se familiariser avec les procédures et à comprendre ce à quoi elles doivent s'attendre. La réalité virtuelle facilite également l'apprentissage à distance en recréant des environnements de classe ou des scènes historiques, et offre des expériences immersives dans les musées.
• Ingénierie : la réalité virtuelle facilite la conception 3D et le prototypage virtuel, permettant ainsi aux ingénieurs de visualiser et d'affiner leurs produits avant leur développement physique.

• Interactions sociales et commerce : la réalité virtuelle permet des interactions virtuelles avec des collègues ou des clients, met à disposition des espaces d'exposition pour les achats en ligne et propose des visites immobilières en 3D.
• Divertissement : la réalité virtuelle enrichit les expériences de jeu et le tourisme en plongeant les utilisateurs dans des environnements interactifs.
• Rééducation médicale et chirurgie à distance : la réalité virtuelle facilite la thérapie d'exposition psychologique, la rééducation pour des pathologies telles que la maladie d'Alzheimer, ainsi que les interventions chirurgicales à distance.