Den Überblick über AR/VR behalten

Erinnert ihr euch noch an die ersten Handys, die so groß wie Ziegelsteine waren und nur in der Hand gehalten werden konnten? Heute sind sie zu stilvollen und leistungsstarken Wundern geworden, die wir im Handumdrehen in die Tasche oder den Geldbeutel stecken können und auf die wir nicht mehr verzichten möchten.

Auch bei Augmented-Reality-Brillen (AR-Brillen) steht ein ähnlicher Wandel bevor, mit dem Ziel, dass sie genauso bequem und einfach zu tragen sind wie herkömmliche Brillen. Technologische Fortschritte in den Bereichen Mikroprozessoren, Sensoren und Konnektivität tragen gemeinsam dazu bei, diesen Wandel voranzutreiben. 

Eine der größten technischen Herausforderungen für AR-Geräte ist jedoch nach wie vor das Display selbst. Konkret geht es darum, ein Display zu entwickeln, das den strengen Anforderungen des menschlichen Sehsystems gerecht wird und gleichzeitig klein und leicht ist. Und natürlich müssen auch die Produktionskosten niedrig sein. 

Entwicklungsziele für AR-Headsets

Um all dies zu erreichen, müssen Entwickler von AR-Displays mehrere unterschiedliche Ziele gleichzeitig erfüllen. Zunächst einmal müssen die Gesamtabmessungen, das Gewicht und der Schwerpunkt der AR-Brille so ausgelegt sein, dass sie bequem genug ist, um über einen längeren Zeitraum getragen zu werden. 

Zweitens gibt es einige wichtige Anforderungen an die visuellen Eigenschaften eines Displays. Man könnte einige davon unter dem Begriff „klares Bild“ zusammenfassen. Dazu gehören Eigenschaften wie die Winkelauflösung und der Füllfaktor (der Abstand zwischen den Pixeln). Auch der Farbraum und die Farbgenauigkeit müssen berücksichtigt werden. 

Außerdem muss das Display ein Gefühl von räumlicher Tiefe vermitteln. Das heißt, die Größe, Entfernung und Position der vom Headset angezeigten Objekte müssen genau mit dem direkten Blick auf die reale Welt übereinstimmen. Wenn sich der Träger oder Objekte in der Umgebung bewegen, muss das Display schnell genug aktualisiert werden. 

Entscheidend ist auch, wie leicht sich stereoskopische Bilder (die durch die vom Bildschirm dargestellten separaten Ansichten für das linke und rechte Auge im Gehirn entstehen) realisieren lassen, da dieses Problem bei den meisten Menschen fast sofort zu Augenermüdung und Unbehagen führt. Wenn Sie das nicht glauben, fragen Sie einfach einmal herum, was die Leute von 3D-Filmen halten. 

Im Zusammenhang mit dem Konzept der „Immersion“ gibt es noch einige weitere wichtige Aspekte zu berücksichtigen. Konkret lässt sich sagen, dass die Immersion zunimmt, je größer der vom Display abgedeckte Sichtbereich des Trägers ist. Technisch wird dies als Sichtfeld (FOV) des Displays bezeichnet. Zu beachten ist außerdem, dass AR-Brillen für Endverbraucher all diese Anforderungen für Menschen mit unterschiedlichen Kopfgrößen und Augenabständen (auch als Pupillenabstand oder IPD bezeichnet) erfüllen müssen. 

Wellenleiter bieten vielversprechende Perspektiven

Wie wir bereits in unserem früheren Blogbeitrag über AR-Technologie ausführlicherläutert haben, besteht die besondere Herausforderung bei AR-Headsets darin, dass sich das Display nicht direkt vor den Augen des Betrachters befindet. Im Gegensatz dazu blickt der Betrachter bei VR-Headsets direkt auf das Display, wobei optische Elemente dafür sorgen, dass es weiter entfernt und größer erscheint. Optisch gesehen ist dies jedoch eine relativ einfache Aufgabe.

Die Optik von AR-Headsets muss ein transparentes Bauteil verwenden, das als „optischer Kombinator“ bezeichnet wird und das Licht von außen durchlässt, sodass der Nutzer die reale Welt direkt sehen kann. Außerdem muss sie das vom Display-Modul ausgegebene Bild vom Rand des Kombinators zur Mitte leiten und es dann zu den Augen des Betrachters umlenken. Auf diese Weise werden die computergenerierten Bilder über die Sicht auf die reale Welt gelegt. Diese Aufgabe ist wesentlich komplexer als die, die die Optik von VR-Headsets erfüllt. 

Zu diesem Zweck wurden verschiedene äußerst ausgeklügelte optische Systeme entwickelt, wobei planare Wellenleiter derzeit zu den vielversprechendsten Technologien zählen. Ein planarer Wellenleiter gleicht einem winzigen transparenten Kanal, der das Licht von der Display-Engine zum Auge des Betrachters leitet. Der Wellenleiter nutzt das Phänomen der „Totalreflexion“ (TIR), um das Licht in seinem Inneren zu halten – nach dem gleichen Prinzip, das auch bei Glasfasern zum Einsatz kommt.

Wenn Licht von einem Material mit höherer Dichte (z. B. Glas) in ein Medium mit geringerer Dichte (z. B. Luft) eintritt, kommt es zur Totalreflexion (TIR). In diesem Fall wird das Licht gebrochen – es ändert seine Richtung. Auf dieser Weise funktionieren Linsen. 

Wenn ein Lichtstrahl jedoch in einem ausreichend großen Winkel auf die Grenzfläche zwischen zwei Materialien trifft, wird er vollständig zurückgestreut und verlässt das Material überhaupt nicht. Der Winkel, in dem ein Lichtstrahl das Material nicht verlassen kann, wird als „Kritischer Winkel“ bezeichnet.

Lichtstrahlen, die aus dem Material in die Luft eintreten, werden gebrochen (ändern ihre Richtung). Bei einem großen Einfallswinkel werden sie jedoch vollständig zurück ins Material reflektiert und können überhaupt nicht entweichen. Je höher der Brechungsindex des Materials ist, desto kleiner ist der Winkel, bei dem dieser Effekt einsetzt.

Um dieses Phänomen in AR-Brillen zu nutzen, muss man sich lediglich vorstellen, dass ein „Einkoppler“ es ermöglicht, Licht von der Anzeigeeinheit in einem Winkel, der größer als der kritische Winkel ist, in den Lichtleiter einzukoppeln. Anschließend breitet sich das Licht im Glas aus und wird durch Totalreflexion weitergeleitet. In der Mitte des Kombinators trifft das Licht auf einen „Auskoppler“, wird dort ausgekoppelt und zum Auge des Betrachters geleitet. 

Bei AR-Headsets auf Wellenleiterbasis wird das Licht vom Display über einen Eingangskoppler in den Bereich nahe dem Rand des Wellenleiters geleitet. Anschließend durchläuft es den Wellenleiter mittels Totalreflexion und wird direkt vor den Augen des Betrachters wieder ausgekoppelt.

Die Herstellung solcher Wellenleiter erfordert umfangreiche technische Herausforderungen und ist äußerst komplex. Sie sind jedoch tatsächlich wirksam und werden bereits eingesetzt. 

Der Vorteil von Wellenleitern besteht darin, dass sie dafür sorgen, dass das Headset in Aussehen und Tragegefühl einer gewöhnlichen Brille sehr ähnlich ist. So kommen wir unserem Ziel näher, ein Produkt zu entwickeln, das klein, leicht und benutzerfreundlich genug ist, um bei den Verbrauchern breite Akzeptanz zu finden. 

bahnbrechende Wellenleitermaterialien

Damit Wellenleiter ihre Funktion erfüllen können, ist die Totalreflexion (TIR) erforderlich. In diesem Zusammenhang muss man einen wichtigen Punkt beachten: Mit steigendem Brechungsindex des Materials tritt die Totalreflexion bereits bei kleineren Einfallswinkeln auf. Das bedeutet, dass die Lichtstrahlen in einem größeren Winkelbereich reflektiert werden.

Das bedeutet, dass durch den Einsatz von Wellenleitermaterialien mit höherem Brechungsindex ein breiteres Sichtfeld erzielt werden kann. Das Sichtfeld (FOV) ist für Entwickler von AR-Systemen der Schlüssel zu einem immersiven Erlebnis. 

Wellenleiter aus Materialien mit hohem Brechungsindex können dem Betrachter ein größeres Sichtfeld bieten und so das Eintauchen in die virtuelle Welt verstärken.

Das Problem besteht darin, dass herkömmliches optisches Glas einen sehr niedrigen Brechungsindex aufweist, was das mit den oben genannten Wellenleitertypen realisierbare Sichtfeld stark einschränkt. Glashersteller haben Materialien mit höherem Brechungsindex entwickelt, um diesem Problem zu begegnen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind beeindruckend. Dennoch können sie die grundlegenden Grenzen des Materials nicht überwinden. Derzeit liegt der höchste mit Glas erreichbare Brechungsindex bei etwa 2,0.  

Neben Glas gibt es jedoch noch weitere Materialien, die sichtbares Licht durchlassen. Einige dieser Materialien weisen nicht nur einen hohen Brechungsindex auf, sondern auch andere ideale physikalische Eigenschaften. Zwei davon sind Kristallmaterialien:Lithium-Niobat (LiNbO₃) mit einem Brechungsindex von 2,3 undSiliziumkarbid (SiC) mit einem Brechungsindex von 2,7. 

Die theoretische Beziehung zwischen dem Brechungsindex des Wellenleiters und dem Sichtfeld des Displays ist in der Abbildung dargestellt. Selbst bei Verwendung von Glas mit dem höchsten Brechungsindex dürfte SiC das Sichtfeld des Displays verdoppeln. Damit bietet es eine bahnbrechende Neuerung für Entwickler von AR-Brillen. 

Theoretischer Zusammenhang zwischen dem Brechungsindex von Wellenleitermaterialien und dem maximal möglichen Sichtfeld (FOV) von AR-Displays. Im Vergleich zu Glasmaterialien weisen sowohl LiNbO₃ als auch SiC erhebliche Vorteile auf.

Neben dem größeren Sichtfeld bieten Materialien mit hohem Brechungsindex noch einen weiteren Vorteil. Bei aktuellen Wellenleiterkonstruktionen werden üblicherweise zwei oder drei separate Linsen verwendet – eine für jede Farbe (oder eine für zwei Farben). Besonders hervorzuheben ist, dass es aufgrund des hohen Brechungsindex von SiC möglich ist, alle drei Farbkanäle (Rot, Grün und Blau) in einem einzigen Wellenleiter zu kombinieren. Dies würde die Abmessungen, das Gewicht und die Kosten des Headsets erheblich verbessern.Darüber hinaus ist SiC ein äußerst robustes und leichtes Material.

LiNbO₃ und SiC sind praktischer als Glas mit hohem Brechungsindex und bieten Leistungsvorteile, sind jedoch auch kostspieliger. Andererseits lässt sich durch ihren Einsatz die Komplexität des Gesamtsystems und der Fertigung verringern, was wiederum zu einer Senkung der Produktionskosten führt. 

Coherent dazu beitragen können, den Verbrauchern bei der nächsten Generation von AR-Geräten ein überzeugendes Preis-Leistungs-Verhältnis zu bieten. Wir sind bereits ein vertikal integrierter Hersteller dieser beiden Materialien, wobei unsere Geschäftsprozesse vom Kristallwachstum bis zur Substratherstellung reichen. Darüber hinaus können wir auch andere Wellenleiterkomponenten herstellen, darunter Beugungskoppler und optische Beschichtungen.Darüber hinaus lassen sich alle unsere Fertigungsprozesse auf die Massenproduktion großformatiger Produkte skalieren. Wir sind bereit, mit Entwicklern von AR-Systemen zusammenzuarbeiten, um auf diesen Materialien basierende Wellenleiter-Displays zu entwickeln und diese anschließend in der Serienfertigung zuverlässig zu unterstützen. 

Erfahren Sie mehr über die LiNbO₃- und SiC-Materialien Coherent .  

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