Che cos'è l'ottica per la realtà aumentata?

Per attivare la realtà aumentata (AR), un sistema ottico proietta immagini digitali su un display trasparente posizionato davanti agli occhi dell'utente, sovrapponendo informazioni virtuali all'ambiente reale. Ciò è possibile tramite diversi tipi di display, come i visori (HMD), i dispositivi portatili quali i tablet o i display fissi come i parabrezza.

Visori AR e display integrati

Un tipico sistema ottico AR è costituito da tre componenti principali:

• Sorgenti luminose: i microdisplay, come i diodi organici a emissione di luce (OLED) o i display a cristalli liquidi (LCD), generano le immagini aumentate. Gli HMD binoculari utilizzano due display, uno per ciascun occhio, per creare un effetto 3D tramite la stereoscopia. Gli HMD olografici utilizzano modulatori spaziali di luce (SLM) per produrre luce coerente modulata per una proiezione avanzata delle immagini.
• Ricevitori: gli occhi dell'utente percepiscono sia le immagini del mondo reale che quelle aumentate.
• Elementi ottici: le lenti e i combinatori fondono la luce proveniente dai microdisplay con quella dell'ambiente reale e proiettano l'immagine combinata agli occhi dell'utente. Negli occhiali AR, ad esempio, l'immagine del microdisplay attraversa una serie di componenti ottici, tra cui lenti di modellazione del fascio, prismi e lenti graduate, prima di essere fusa con la scena reale per l'osservatore.

Figura 1. Schema dell'AR su prescrizione :

(a) Vista laterale che mostra il percorso del raggio AR. La lente correttiva svolge la funzione di correzione della vista e di guida d'onda dell'immagine AR. Una lente di modellazione del fascio rifrange i raggi luminosi provenienti da un microdisplay che entrano nella lente correttiva attraverso un prisma di accoppiamento, creando un'immagine virtuale ingrandita a una distanza prestabilita dalla lente.

(b) Parametri geometrici nel sistema AR Prescription.

(c) Il diagramma tridimensionale dei componenti ottici.

Ristampato su autorizzazione. © The Optical Society.

Le aberrazioni ottiche possono influire sulla qualità dell'immagine nei visori AR, proprio come in altri sistemi ottici. Aberrazioni quali l'aberrazione cromatica, l'aberrazione sferica, il coma, l'astigmatismo, la curvatura di campo e la distorsione possono causare sfocature o deformazioni nelle immagini proiettate. Una progettazione accurata e un'ottimizzazione accurata sono fondamentali per ridurre al minimo queste aberrazioni e migliorare la nitidezza visiva.

La progettazione di ottiche per la realtà aumentata richiede una combinazione di strumenti software specializzati e competenze provenienti da diverse discipline ingegneristiche. Gli ingegneri ottici utilizzano software per creare e ottimizzare i sistemi di imaging, analizzare la luce parassita e progettare elementi ottici diffrattivi. Gli ingegneri meccanici necessitano di strumenti CAD per definire la configurazione del sistema ed eseguire analisi termiche e strutturali. Possono essere coinvolti anche ingegneri elettrici per implementare il tracciamento oculare e gestire i segnali inviati al sistema ottico.

Il flusso di lavoro

Sistemi ottici:

• È possibile utilizzare il software di progettazione ottica CODE V per tracciare i raggi attraverso il sistema ottico, ottimizzare il sistema al fine di ridurre le aberrazioni, diminuire la distorsione e aumentare la risoluzione, come mostrato in un visore montato sulla testa. È inoltre possibile utilizzare ottiche per la realtà aumentata destinate ai display head-up (HUD) per il settore automobilistico, modellate in CODE V (vedere la sezione successiva). Successivamente, esportare la geometria in LightTools.
• Il software di progettazione dell'illuminazione LightTools consente di simulare l'illuminazione, la luce diffusa e le immagini fantasma. È inoltre possibile utilizzare LightTools per ottimizzare l'uniformità dell'illuminazione.

Progettare griglie utilizzando un software di progettazione fotonica:

I reticoli diffrattivi immettono la luce nella piastra guida d'onda e la reimmettono dagli occhi. I reticoli devono essere progettati correttamente affinché il sistema ottico produca immagini di buona qualità. Per la progettazione e l'ottimizzazione dei reticoli, è possibile ottimizzarli in base a parametri quali l'angolo di diffrazione e le efficienze di qualsiasi ordine o combinazione di ordini.

• RSoft DiffractMOD RCWA è uno strumento estremamente efficiente per il calcolo rigoroso delle proprietà di diffrazione dei dispositivi a periodicità trasversale.
• RSoft FullWAVE FDTD è un altro potente strumento che consente, all'occorrenza, di calcolare con precisione le proprietà di diffrazione dei dispositivi a periodicità trasversale.
• La funzione di ottimizzazione MOST di RSoft nell'ambiente CAD RSoft offre un metodo pratico per ottimizzare i reticoli utilizzando RSoft FullWAVE o RSoft DiffractMOD.

Una volta creati i reticoli, è possibile esportare le informazioni relative alla funzione di distribuzione della diffusione bidirezionale (BSDF) e i file di layout direttamente in LightTools per definire una proprietà della superficie. Tutte le proprietà diffrattive sono incluse nei file BSDF di RSoft, che contengono informazioni su come una superficie, ad esempio un film sottile o una struttura reticolare, diffonde la luce.

Un head-up display (HUD) amplia il campo visivo del conducente con un'immagine proveniente da uno schermo. È necessario un software per modellare i raggi che attraversano il parabrezza e per valutare la qualità dell'immagine proiettata.

CODE V offre potenti funzionalità applicative nell'ambito della progettazione di HUD, consentendo di affrontare un'ampia gamma di sfide progettuali relative ai sistemi optomeccanici. Gli ingegneri possono utilizzare questo software di progettazione ottica per la visualizzazione CAD e il ray tracing. CODE V supporta nuove superfici a forma libera, garantendo una maggiore libertà progettuale per i sistemi compatti di combinatori per parabrezza. Queste superfici migliorano il controllo delle aberrazioni man mano che la risoluzione dello schermo aumenta all'altezza dell'occhio dell'osservatore (maggiore densità dei pixel dello schermo) e le dimensioni dei dispositivi si riducono.

Una volta completata la progettazione, è importante verificare le prestazioni finali del sistema rispetto ai criteri nominali e alle prestazioni effettive del sistema così come realizzato. A tal fine, LightTools rappresenta il passo logico successivo per la simulazione dal punto di vista dell'osservatore. Un tracciamento dei raggi inverso a partire da oggetti cromatici spettrali che rappresentano un'immagine visualizzata in LightTools mostra l'immagine HUD proiettata per un osservatore (su una scena modellata). Una simulazione LightTools può anche aiutare a individuare problemi imprevisti legati a immagini vaganti o riflessi nel sistema. Inoltre, gli ingegneri possono utilizzare gli strumenti di importazione CAD e di misurazione di LightTools per determinare:

• Distanza tra l'oculare e il parabrezza
• Angolo di incidenza approssimativo sul parabrezza
• Distanza tra il parabrezza e il cruscotto

La simulazione delle prestazioni dei sistemi ottici reali offerta da LightTools rappresenta una risorsa eccellente per gli utenti dei prodotti di ingegneria progettuale Keysight nel loro lavoro.

La differenza principale tra la realtà aumentata (AR) e la realtà virtuale (VR) risiede nel modo in cui interagiscono con l'ambiente reale. La realtà virtuale simula l'intero ambiente visivo, immergendo gli utenti in un mondo completamente virtuale. Al contrario, la realtà aumentata rileva l'ambiente reale e vi sovrappone informazioni digitali, fondendo elementi simulati e reali attraverso una visualizzazione.

Nella realtà aumentata (RA), il display è solitamente trasparente, consentendo agli utenti di vedere contemporaneamente sia il mondo reale che gli elementi digitali sovrapposti. I display della realtà virtuale (RV), invece, mostrano solo l'ambiente simulato, oscurando il mondo reale.

Le principali differenze tra le ottiche AR e VR includono:

• Requisiti del display: la realtà aumentata richiede display ad alta luminosità per garantire la visibilità in ambienti molto luminosi, come all'aperto o nelle sale operatorie.
• Precisione ottica: nei visori AR (HMD) trasparenti, l'errore di allineamento angolare — ovvero la differenza di angolo tra l'immagine reale e quella virtuale — dovrebbe essere mantenuto al di sotto di 1-3 minuti d'arco per garantire una nitidezza ottimale.
• Considerazioni di progettazione: i visori AR (HMD) utilizzano spesso un sistema ottico a percorso ottico piegato per ottenere un ampio campo visivo (FOV) pur mantenendo dimensioni compatte. Questi dispositivi devono integrare un combinatore ottico che unisca la luce riflessa dalle scene virtuali con quella trasmessa dal mondo reale. I progettisti ricorrono comunemente a divisori di fascio per la prototipazione, mentre gli elementi ottici olografici (HOE) offrono una soluzione più sottile e piatta per specifiche lunghezze d'onda.

Questi esempi dimostrano come le tecnologie ottiche di realtà aumentata stiano trasformando un'ampia gamma di settori, potenziando la consapevolezza situazionale, migliorando il processo decisionale e creando esperienze più interattive.

• Display head-up (HUD) per la guida: forniscono informazioni in tempo reale sul parabrezza per assistere i conducenti.
• Assistenza chirurgica: visualizza in sovrimpressione le istruzioni procedurali e i dati utili durante gli interventi chirurgici.
• Supporto al combattimento: offre una migliore consapevolezza della situazione e informazioni di puntamento al personale militare.