AUGMENTED REALITY (AR) WIRKLICHKEIT WERDEN LASSEN
Coherent stellt mehrere wichtige AR-Display-Komponenten her und arbeitet aktiv an der Verbesserung der Technologie.
23. Mai 2023 von Coherent
Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) haben in den letzten Jahren in den Medien viel Aufmerksamkeit erregt. Sie versprechen Vorteile bei vielen unterschiedlichen Anwendungen wie Computerspielen, Gesundheitswesen, Schulungen, Technik, Architektur, Innenarchitektur, Reisen, Verteidigung und sogar Produktmarketing. Heute hat VR/AR noch keinen nennenswerten Einfluss auf das Leben der meisten Menschen.
Zwei Hauptgründe dafür sind die Qualität der VR/AR-Headsets und die Kosten. Zur Qualität gehören insbesondere Faktoren wie Bildhelligkeit, Auflösung, Sichtfeld und elektronische Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Stromverbrauch. Außerdem sind praktische Erwägungen wie die Größe des Headsets, das Gewicht und die Lebensdauer des Akkus ebenfalls wichtig. Kosten bedeutet, dass die Preise für Headsets niedrig genug sind, um sie für die meisten Verbraucher erschwinglich zu machen.
Die Herausforderung mit AR
Es gibt zahlreiche technische Hürden zu überwinden, um Verbesserungen in all diesen Bereichen zu erreichen. Und diese Herausforderungen sind bei AR-Headsets im Allgemeinen größer als bei VR-Headsets. Um zu verstehen, warum das so ist, sollten wir uns zunächst ansehen, was diese Begriffe konkret bedeuten. Die Definitionen sind in der Tabelle zusammengefasst.
Headset-Typ |
Funktionen |
Headset-Eigenschaften |
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Ein vollständig immersives Display, das die Augen des Benutzers vollständig abdeckt und eine simulierte Ansicht bietet. Von der eigentlichen Umgebung ist nichts zu sehen. |
Die Displays basieren in der Regel auf LCD- oder OLED-Technologie. Das Display befindet sich direkt vor den Augen des Benutzers und wird durch Linsen betrachtet. Die Anforderungen an die Helligkeit des Displays sind etwas geringer, da der Benutzer es in einer abgedunkelten Umgebung betrachtet. |
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Ein vollständig immersives Display, das die Augen des Benutzers vollständig abdeckt, aber auch einen Live-Video-Feed der aktuellen Umgebung einschließt. Virtuelle und reale Elemente werden in der Ansicht des Benutzers kombiniert. |
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Halbtransparentes Display, auf dem der Benutzer die Umgebung direkt sehen kann. Computergenerierte Bilder werden neben oder über reale Objekte gelegt. |
Die Displays basieren auf Mikrobildschirmen oder auf dem Prinzip des Laserscanning. Sie befinden sich auf der gleichen Seite der Optik des Headsets wie die Augen des Betrachters. Verwendet einen optischen Kombinierer – wie z. B. einen Wellenleiter oder einen halbtransparenten Spiegel – um virtuelle und reale Ansichten zusammenzuführen. Erfordert eine hohe Displayhelligkeit, um den Lichtverhältnissen der Umgebung zu entsprechen. |
Ein wesentliches Merkmal von VR- und MR-Headsets ist, dass die Displays direkt betrachtet werden – das heißt, sie sitzen direkt vor den Augen des Betrachters. Dies ermöglicht die Verwendung relativ einfacher, konventioneller Sichtoptiken, wie sie in Instrumenten wie Mikroskopen, Ferngläsern und Entfernungsmessern verwendet werden. Obwohl die optischen VR-Systeme in Bezug auf ihre Größe viel komprimierter sind.
Im Gegensatz dazu befinden sich die Displays in AR-Brillen nicht im Blickfeld des Benutzers und erfordern daher eine ausgeklügelte Optik, um das Licht auf das Auge des Benutzers umzulenken. Die Displayausgabe muss mit der direkten Sicht des Trägers auf die Umgebung kombiniert werden, damit die virtuellen Objekte wie in der realen Welt erscheinen. Die Optik, die dies ermöglicht – in der Regel Strahlteiler oder Wellenleiter – ist viel komplexer und anspruchsvoller als die Linsen von VR-Headsets.
Außerdem müssen die computergenerierten Bilder in der richtigen Position, Entfernung und Ausrichtung in der realen Ansicht erscheinen. Dazu muss das Headset ständig die Kopf- und Körperbewegungen des Benutzers verfolgen und auch die Größe, Position und Ausrichtung von Objekten in der realen Umgebung bestimmen. Während die meisten VR-Headsets auch ein gewisses Maß an Kopf- und Körperbewegungs-Tracking beinhalten, sind die Anforderungen für AR im Allgemeinen anspruchsvoller.
Die Zukunft von AR bei Coherent ist klar
Coherent ist bereits aktiv an der Entwicklung photonikbasierter Lösungen für diese Probleme bei AR-Systemen beteiligt. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf drei funktionale Elemente von AR-Headsets – den Display-Projektor (oder die Licht-Engine), den optischen Kombinierer und die optischen Sensoren.
Display-Engines
Die meisten AR-Headsets verwenden MicroLED oder Licht-Engines mit Laserscanning. Coherent ist etablierter Anbieter einer Schlüsseltechnologie für die MicroLED-Produktion. Konkret führen die Geräte von Coherent eine Laser-Schichtseparation (LLO) durch, um MicroLED von den Sapphire Wafern zu trennen, auf denen sie gezüchtet werden. Manchmal folgt auf LLO ein Laser-induzierter Vorwärtstransfer (LIFT), der mit unserem UVtransfer durchgeführt werden kann (der auch LLO und Pixelreparatur/-trimming durchführt).
Coherent verfügt auch über umfassende Erfahrung in der Herstellung einiger der miniaturisierten optischen Komponenten, die in Display-Projektoren verwendet werden. Eine der interessantesten davon sind Mikrolinsenarrays mit „Metaoberfläche” zur Kollimation.
Eine Metaoberflächenlinse nutzt Nanostrukturen, um die Wellenfront des einfallenden Lichts zu verändern. Die Merkmale werden mit hoher Präzision gefertigt und können mit engen Toleranzen über dem MicroLED-Array ausgerichtet werden, wodurch das Licht der einzelnen Emitter gebündelt wird. Eine Metalinse ist flach und sehr dünn, so dass sie nahtlos in ein Display-Engine-Paket integriert werden kann.
Ein zusätzlicher Bonus ist, dass Metalinsen mit lithografischen oder anderen Technologien im Wafer-Maßstab hergestellt werden können. Das bedeutet, dass sie wirtschaftlich in großen Mengen produziert werden können. Diese Technologie ist also ideal für die Anforderungen von AR-Brillen geeignet.
Coherent liefert auch andere optische Komponenten für Licht-Engines. Dazu gehören RGB-Kombinierer für Laserscanner (Laser Beam Scanners – LBS) oder Dünnfilm-Polarisatoren für LCOS-Displays sowie ein umfangreiches Sortiment optischer Beschichtungen, die auf verschiedene Arten von Glas aufgebracht oder in den optischen Stapel fast aller optischen Elemente integriert werden können.
Optische Kombinierer
Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von AR-Headsets ist es, die Displayausgabe zusammenzutragen und so umzulenken, dass sie die direkte Sicht des Trägers auf seine Umgebung überlagert. Eine Reihe von hochinnovativen Designkonzepten wird derzeit von verschiedenen Gruppen verfolgt, um dies zu erreichen. Auch hier liefert Coherent die Technologie für die Herstellung einiger dieser Geräte sowie die eigentlichen Gerätekomponenten selbst.
Bei vielen Headsets sind die Brillengläser Wellenleiter. Diese leiten das Licht vom Display (das sich im Rahmen befindet) zum Auge des Benutzers. Die Wellenleiter haben Eingangskoppler in der Nähe der Display-Engine und Ausgangskoppler in der Mitte der Linsen. Diese Ausgangskoppler sind entweder als Oberflächenreliefgitter (SLG) oder als holographische optische Elemente (HOE) ausgeführt.).
HOEs werden mit Hilfe von Lasern in Fotopolymeren aufgezeichnet. Konkret wird dies mit drei Laserquellen erreicht – rot, grün und blau. Wie bei anderen Formen der Holografie müssen die Laserquellen hierfür eine einzige Frequenz haben, eine große Kohärenzlänge aufweisen, mit hoher Stabilität arbeiten und vorzugsweise eine hohe Leistung abgeben (um die Belichtungszeit zu minimieren). Coherent Genesis und Verdi Laser haben alle diese Eigenschaften und sind damit die ideale Wahl für die Aufnahme von HOEs.
Coherent stellt auch verschiedene Komponenten des Strahlkombinierers her, einschließlich des Linsenmaterials selbst. Einige der führenden AR-Unternehmen erforschen die Verwendung von optischen Kristallen für die Objektive als Alternative zu Glas. Kristallmaterialien können einen Brechungsindex von 2,3 und höher haben. Dies vergrößert das Sichtfeld und ermöglicht die Kanalisierung aller drei Farben durch einen einzigen Wellenleiter, anstatt der zwei oder drei Schichten, die bei der Verwendung von Glas erforderlich sind. Dies trägt dazu bei, das Gewicht der AR-Brille zu reduzieren und macht die Benutzererfahrung noch intensiver.
Optische Sensoren
Coherent ist bereits ein führender Hersteller von Komponenten und Modulen für laserbasierte Tiefen- oder 3D-Sensoren. Insbesondere unsere Hochleistungs-VCSEL-Quellen (sowohl Einzelemitter als auch Arrays) werden häufig in gängigen Smartphones verwendet. Zu diesen Quellen gehören Arrays für Time-of-Flight (TOF)- oder strukturierte Licht-Tiefenerkennungsmodule. Außerdem können wir unsere VCSEL-Arrays mit unseren diffraktiven oder Metaoberflächenkomponenten kombinieren, um eine gleichmäßige Flutbeleuchtung oder Punktmuster zu erzeugen. Wir entwickeln und fertigen auch Lasertreiber-ICs und können alle diese Komponenten in ultrakompakte Module integrieren. Unsere Photonikexperten wissen, dass ein kleiner Formfaktor und ein geringer Stromverbrauch die wichtigsten Kriterien sind, wenn es um 3D-Sensorik für AR-Anwendungen geht.
AR- und VR-Headsets sind auf dem besten Weg, die nächsten großen Geräte in der Unterhaltungselektronik und bei Internetanwendungen zu werden. Coherent verfügt über das umfassendste Portfolio an photonikbasierten Technologien für die Herstellung von AR-Brillen. Dies versetzt uns in eine einzigartige Position, um Innovationen in diesem Bereich zu unterstützen – insbesondere durch die Bereitstellung von Fertigungsverfahren und Komponenten, die die ultrakompakte Größe, den geringen Stromverbrauch und die Hochleistungsgeräte ermöglichen, die für einen breiten Markterfolg erforderlich sind.
Erfahren Sie mehr darüber, was Coherent für AR bietet.
