Современные «умные очки» с дополненной реальностью (AR) всё ещё неудобны для массового использования, потому что у них есть фундаментальные проблемы с отображением глубины и коррекцией зрения. Решение пришло из 1947 года – это голография. Но только сейчас, благодаря новым материалам и полупроводниковым технологиям, её удалось сделать практичной.
Что не так с современными AR-дисплеями?
Сейчас в AR-очках используют три основные технологии: DLP, LCoS и MicroLED. Все они работают на основе волноводов (waveguides) – тонких прозрачных линз, которые направляют свет от маленького дисплея в глаз.
Главные проблемы:
- Одна фиксированная фокальная плоскость – обычно на глубине около 1 метра. Это значит, что виртуальное изображение всегда находится на одном расстоянии, даже если по сценарию оно должно быть то ближе, то дальше (например, стрелка навигации сначала на дороге, потом на повороте).
- Конфликт вергенции-аккомодации (VAC) – глаза должны одновременно делать две вещи: сводиться (вергенция) на расстояние до виртуального объекта и фокусироваться (аккомодация) на расстоянии до дисплея. Когда эти расстояния не совпадают, возникает тошнота, дискомфорт, усталость. Исследования говорят: нужно минимум 3 фокальные плоскости для комфорта.
- Проблема с очками для зрения – почти 4 миллиарда людей носят очки. Волноводным системам нужна дополнительная корректирующая оптика, что увеличивает вес, стоимость и сложность.
Как голография решает эти проблемы?
Голография восстанавливает не плоскую картинку, а волновой фронт света – то есть создаёт точно такой же свет, как если бы в реальности существовал физический объект. Глаз фокусируется на правильном расстоянии естественным образом, и конфликт VAC исчезает на корню. Также голография может динамически менять глубину и корректировать зрение без дополнительных линз.
Почему динамическую голографию не могли сделать 75 лет?
Главная причина – размер пикселя. Чтобы управлять лучом света, пиксель должен быть меньше длины волны света (для красного – 640 нм, зелёного – 520 нм, синего – 440 нм). А у современных DLP, LCoS и MicroLED типовой размер пикселя – 2 микрона (2000 нм). Это больше длины волны примерно в 3–5 раз. Из-за этого поле обзора (угол дифракции) оказывается слишком маленьким.
На графике показано: как только размер пикселя становится меньше длины волны, поле обзора резко растёт. А пока пиксель крупнее – рост очень медленный.
Что изменилось сейчас?
Появились полупроводниковые голографические модуляторы на основе материалов с фазовым переходом (phase change materials). Это те же материалы, которые используются в перезаписываемых DVD или в энергонезависимой памяти.
Как работают:
- Пиксель из такого материала при быстром нагреве переключается между кристаллическим и аморфным состоянием.
- Меняется его оптическое свойство – показатель преломления.
- Размер пикселя можно сделать 250 нм – это уже меньше длины волны любого видимого света.
- Такие нано-пиксели производятся по стандартным CMOS-процессам на обычных полупроводниковых фабриках.
Что это даёт на практике
- На один крошечный CMOS-чип можно поместить сотни миллионов или даже миллиарды таких пикселей.
- Динамический голографический дисплей создаёт настоящее 3D с правильной глубиной, решает проблему VAC и встраивает коррекцию зрения без дополнительной оптики.
- При этом он имеет высокую оптическую эффективность, тонкий форм-фактор и низкое энергопотребление – то есть именно то, что нужно для массовых AR+AI-очков.
Итог
Старые технологии (DLP, LCoS, MicroLED) уперлись в физический предел – слишком крупный пиксель. Новая технология использует материалы с фазовым переходом и CMOS-производство, чтобы сделать пиксели меньше длины волны света. Это впервые делает динамическую голографию практичной и доступной для массовых устройств.
Ссылка на первоисточник: https://www.eetimes.com/why-todays-ar-displays-fall-short-and-a-75-year-old-idea-may-help/
Вас также могут заинтересовать: