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

Definizione di ottica per la realtà virtuale

L'ottica della realtà virtuale (VR) comprende i componenti specializzati all'interno di un sistema VR che creano un'esperienza visiva immersiva per l'utente. Alcuni esempi sono:

• Telecamere che acquisiscono dati grezzi per la simulazione di scene
• Fibre ottiche utilizzate nei guanti e nell'abbigliamento per inviare e ricevere dati
• Visori (HMD) che generano una percezione tridimensionale
• Schermi di proiezione immersivi e semi-immersivi
• Sensori che rilevano i movimenti dell'utente e dei suoi occhi.

Attualmente, i dispositivi ottici per la realtà virtuale che suscitano maggiore interesse sono i visori montati sulla testa (HMD), noti anche come visori near-eye.

Affinché la realtà virtuale funzioni, è necessario che il visore (HMD) sia dotato di un sistema ottico in grado di proiettare un'immagine sullo schermo posto davanti agli occhi.

In questo sistema ottico, un visore HMD comprende sorgenti luminose (display), ricevitori (occhi) ed elementi ottici (lenti).

• Le sorgenti luminose di un visore HMD sono microdisplay, come i diodi organici a emissione di luce (OLED) o i display a cristalli liquidi (LCD). Un visore HMD binoculare è solitamente dotato di due display che forniscono immagini separate per ciascun occhio e generano una percezione tridimensionale attraverso la stereoscopia. In un visore HMD olografico, la sorgente luminosa è costituita da luce coerente modulata proveniente da un modulatore spaziale di luce (SLM).
• I sensori presenti nei visori HMD fungono da occhi dell'utente.
• Gli elementi ottici raccolgono la luce proveniente dalla sorgente e generano rappresentazioni di un mondo virtuale tridimensionale. Un visore VR ideale deve essere in grado di fornire un'immagine ad alta risoluzione con un ampio campo visivo (FOV), supportando al contempo gli stimoli di accomodazione necessari per la percezione tridimensionale, e deve avere un ampio eyebox (pupilla di uscita) pur mantenendo un fattore di forma compatto [2].

Figura 1. Struttura di un visore VR. Fonte: https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

Uno dei requisiti più importanti per i visori HMD è un buon design ergonomico, il che significa che il visore deve essere comodo da indossare e da utilizzare anche per periodi prolungati. Per garantire il comfort durante l'uso, il visore dovrebbe essere compatto e leggero. Idealmente, il peso e le dimensioni non dovrebbero superare quelli di un paio di occhiali. Per garantire una visione confortevole, il visore dovrebbe offrire punti di vista adeguati in base alla posizione della testa e al punto di sguardo dell'utente. Il visore dovrebbe inoltre avere una distanza adeguata dagli occhi, una dimensione della pupilla sufficientemente ampia da consentire un movimento naturale degli occhi, una distanza interpupillare (IPD) appropriata e una bassa divergenza e dipvergenza.

I principali vincoli di progettazione ottica per gli HMD sono le dimensioni della pupilla (eye-box), la distanza oculare, la divergenza, la dip-divergenza e l'IPD (vedi Figura 2).

Il campo visivo (FOV) è importante

Un obiettivo progettuale fondamentale per i visori VR è quello di riprodurre le caratteristiche visive del sistema visivo umano. Il campo visivo dell'occhio umano è di circa 120 gradi in verticale e di quasi 360 gradi in orizzontale, tenendo conto della rotazione oculare e dei movimenti della testa. Il campo visivo binoculare, ovvero l'area in cui un oggetto è visibile a entrambi gli occhi, è di circa 114 gradi [5].

Figura 3. Diagramma del campo visivo. Fonte: https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

Considerazioni sulle anomalie nella progettazione

Gli effetti delle aberrazioni sulla qualità dell'immagine nei visori HMD sono simili a quelli riscontrati in altri sistemi ottici. Aberrazioni quali l'aberrazione cromatica assiale, l'aberrazione sferica, il coma, l'astigmatismo e la curvatura di campo causano sfocature. Aberrazioni quali la distorsione, il coma e l'aberrazione cromatica laterale provocano deformazioni. Il controllo delle aberrazioni è fondamentale nella progettazione delle ottiche dei visori VR HMD.

Altri fattori nella progettazione degli HMD

I progressi nella progettazione degli HMD sfruttano le superfici asferiche, gli elementi ottici diffrattivi (DOE), gli elementi ottici olografici (HOE), le lenti sintonizzabili e l'ottica in materiale plastico.

• Le superfici asferiche contribuiscono a controllare le aberrazioni delle lenti e a ridurre il numero di elementi.
• I DOE presentano interessanti proprietà di dispersione, con una dispersione cromatica negativa nelle lenti positive.
• Gli HOE hanno dimensioni ridotte e possono funzionare come un divisore di fascio.
• Le lenti regolabili possono ampliare la profondità di campo.
• I componenti in plastica sono economici e leggeri.

Sebbene sia possibile migliorare le dimensioni dell'eye-box e il campo visivo (FOV) dei dispositivi VR utilizzando queste tecnologie avanzate, spesso ciò comporta un compromesso in termini di fattore di forma. Per ovviare a questo problema, le nuove direzioni di sviluppo includono visori HMD con eye-tracking integrato, display multi-focali e varifocali, display a occlusione, display olografici e display a campo luminoso.

I software di progettazione ottica sono uno strumento fondamentale per la progettazione di ottiche VR. Per progettare sistemi ottici VR di qualità sono necessari diversi tipi di software:

• L'ingegnere ottico ha bisogno di un software per creare e ottimizzare il sistema di imaging, analizzare la luce parassita nel percorso ottico e progettare elementi ottici diffrattivi.
• L'ingegnere meccanico ha bisogno di un pacchetto CAD per disegnare lo schema dell'impianto ed eseguire analisi termiche e strutturali.
• L'ingegnere elettrico potrebbe aver bisogno di un software per tracciare i movimenti oculari e inviare il segnale al sistema ottico.

Keysight offre una suite completa di strumenti per la simulazione di dispositivi AR/VR.

Ecco una procedura per la progettazione di sistemi ottici utilizzando un software di progettazione ottica:

• Il software di progettazione ottica CODE V è in grado di tracciare i raggi attraverso il sistema ottico, ottimizzare il sistema per ridurre le aberrazioni, diminuire la distorsione e aumentare la risoluzione.
• Il software di progettazione dell'illuminazione LightTools è in grado di simulare l'illuminazione, la luce diffusa e le immagini fantasma. LightTools consente inoltre di ottimizzare l'uniformità dell'illuminazione. La luce diffusa può causare artefatti nell'immagine e punti luminosi.

I reticoli di diffrazione accoppiano la luce nella piastra guida d'onda e la reimmettono dagli occhi. È necessario progettare i reticoli in modo corretto affinché il sistema ottico produca immagini di buona qualità. È possibile progettare e ottimizzare i reticoli in base all'angolo di diffrazione, alle efficienze e così via, in qualsiasi ordine o combinazione di ordini.

Per progettare reticoli, è possibile utilizzare gli strumenti di progettazione ottica RSoft di Keysight:

• DiffractMOD RCWA è uno strumento molto efficiente per calcolare con precisione le proprietà di diffrazione dei dispositivi a periodicità trasversale.
• FullWAVE FDTD è un altro potente strumento per calcolare con precisione le proprietà di diffrazione dei dispositivi a periodicità trasversale.
• La funzione di ottimizzazione MOST nell'ambiente CAD RSoft offre un metodo pratico per ottimizzare i reticoli utilizzando FullWAVE o DiffractMOD.

Una volta realizzate le griglie, 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. I file BSDF di RSoft contengono informazioni su come una superficie (film sottile, motivi, ecc.) diffonde la luce, comprese tutte le proprietà di diffrazione.

Nella realtà virtuale (VR), il display deve solo riprodurre l'ambiente simulato. Nella realtà aumentata (AR), il display è spesso trasparente per combinare l'ambiente simulato con quello reale.

Esistono alcune differenze tra le ottiche VR e quelle AR:

• In primo luogo, la realtà aumentata richiede schermi ad alta luminosità, soprattutto in ambienti molto luminosi come gli spazi all'aperto e le sale operatorie.
• In secondo luogo, la divergenza del campo visivo dovrebbe essere inferiore a 1-3 minuti d'arco per gli HMD trasparenti destinati alla realtà aumentata.
• Infine, gli HMD see-through presentano spesso un design pieghevole per garantire un ampio campo visivo e dimensioni compatte. Gli HMD see-through devono integrare un combinatore ottico in grado di unire la luce riflessa dalla scena virtuale e quella trasmessa dagli oggetti del mondo reale. Nella fase di prototipazione si ricorre spesso a un divisore di fascio come combinatore. Gli HOE possono ridurre le dimensioni del combinatore, poiché sono sottili e piatti e possono funzionare come un divisore di fascio per una specifica lunghezza d'onda.

• Istruzione e formazione: la simulazione di volo militare e l'addestramento al combattimento sul campo di battaglia, la formazione medica per interventi chirurgici e situazioni di emergenza, nonché l'educazione dei pazienti, integrano la realtà virtuale per consentire alle persone di sperimentare le procedure e comprendere cosa aspettarsi. La realtà virtuale supporta inoltre l'apprendimento a distanza ricreando ambienti scolastici o scene storiche e offre esperienze immersive nei musei.
• Ingegneria: la realtà virtuale (VR) supporta la progettazione 3D e la prototipazione virtuale, consentendo agli ingegneri di visualizzare e perfezionare i prodotti prima della loro realizzazione fisica.

• Interazione sociale e commercio: la realtà virtuale consente di interagire virtualmente con colleghi o clienti, mette a disposizione showroom per lo shopping online e offre esperienze 3D per le visite immobiliari.
• Intrattenimento: la realtà virtuale migliora l'esperienza di gioco e il turismo, immergendo gli utenti in ambienti interattivi.
• Riabilitazione medica e chirurgia a distanza: la realtà virtuale supporta la terapia di esposizione psicologica, la riabilitazione per patologie come il morbo di Alzheimer e gli interventi chirurgici a distanza.