Verbesserung von Augmented Reality mit Next‑Gen‑Linsen

Eine der größten Online-Designschulen weltweit, die Interaction Design Foundation, definiert Augmented Reality als ‘ein Erlebnis, bei dem Designer Teile der physischen Welt der Nutzer mit computergenerierten Eingaben erweitern.’ IBM, eines der wegweisenden Unternehmen, das uns stets neue Formen bahnbrechender Technologie vorgestellt hat, sieht und untersucht AR als die ‘Echtzeit-Integration digitaler Informationen in die Umgebung eines Nutzers.’ 

Diese Definitionen zeigen, dass Augmented Reality nichts weniger als ein radikaler Sprung ist, der hochgradig imaginative Vorstellungen davon beinhaltet, was Technologie uns bieten könnte, und kunstvoll entwickelte Lösungen, um diese Vorstellungen zur Realität zu machen. 

Damit Augmented Reality vor Ort ein effektives und effizientes Angebot darstellt, müssen viele Faktoren gut funktionieren. Das Zusammenführen der digitalen und physischen Welten muss fehlerfrei und nahtlos sein. Die Interaktionen müssen in Echtzeit stattfinden, und die Identifizierung von virtuellen und realen Objekten in dreidimensionalen Schnittstellen muss präzise sein. 

Im Laufe der Jahre haben Forscher und innovative Technologieprojektteams unermüdlich daran gearbeitet, diese Faktoren zu perfektionieren. Neue Forschungen haben in diesem Bereich große Aufregung erzeugt. Wissenschaftler haben die dünnste Linse der Erde geschaffen, ermöglicht durch Exzitonen, die in zukünftigen AR‑Brillen verwendet werden könnte. Im folgenden Abschnitt gehen wir tiefer auf diese Forschung ein. 

Exciton‑aktivierte Linse: Die dünnste der Erde

Eine Gruppe von Forschern von der University of Amsterdam und der Stanford University, Kalifornien, haben eine einzelne Schicht Wolframdisulfid (WS2) genutzt, um eine flache Linse zu entwickeln, die einen halben Millimeter breit, aber nur 0,0000006 Millimeter bzw. 0,6 Nanometer dick ist. Diese Parameter machen die Linse zur dünnsten der Erde. 

Abgesehen davon, dass ein äußerst ungewöhnliches Material für den Linsenbau verwendet wird, ist die Linse auch in ihrer Funktionsweise eine Ausnahme. Während normale Linsen auf ihre gekrümmte Form angewiesen sind, um Licht zu brechen und zu fokussieren, nutzt diese drei‑Atom‑dicke flache Linse Quanten‑Effekte. 

Im Gegensatz zu üblichen Linsen nutzen diese Linsen das Phänomen der Beugung statt der Brechung. Sie bestehen aus konzentrischen Ringen aus WS2 mit Lücken dazwischen, um das Licht durch Beugung zu fokussieren. Der Abstand zwischen diesen Ringen und deren Größe bestimmen die Brennweite der Linse. 

Um die Fokussierung effizient zu gestalten, hängen diese Linsen von den Quanten‑Effekten innerhalb von WS2 ab. Der außerordentliche Professor für Physik an der West Texas A&M University, Christopher S. Baird definiert Quanten‑Effekte als Effekte die nicht ‘korrekt von der klassischen Physik vorhergesagt werden, sondern korrekt vorhergesagt von der Quanten‑Theorie.’ Die klassische Physik sieht ‘Materie’ als etwas, das aus kleinen, festen Teilchen besteht.

“Daher, jedes Mal, wenn wir die Materieteile dazu bringen, wie Wellen zu wirken, demonstrieren wir einen Quanten‑Effekt.”

– Professor Baird

Supraleitung ist beispielsweise ein makroskopischer Quanten‑Effekt. In diesem Fall ermöglichen die Quanten‑Effekte dem Material Licht bei bestimmten Wellenlängen effizient zu absorbieren und erneut auszusenden. Infolgedessen verfügt die Linse über eine eingebaute Fähigkeit, die ihr bei diesen Wellenlängen besser funktioniert. 

Wenn wir versuchen, die Rolle der Quanten‑Effekte besser zu verstehen, wirkt es als Verstärkung, bei der WS2 Licht absorbiert, indem ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gehoben wird. Das Fehlen des negativ geladenen Elektrons hinterlässt ein positiv geladenes Loch im atomaren Gitter. Dieses Loch bleibt zusammen mit dem Elektron durch eine anziehende elektrostatische Kraft verbunden, die zwischen ihnen wirkt. Diese Bildung aus Elektron, dem Loch im Gitter und der dazwischen wirkenden Kraft ist als ‘Exziton’ bekannt. Bei bestimmten von den Exzitonen ausgesandten Lichtwellenlängen erreichen diese Linsen einen deutlichen Effizienzspitze. 

Jorik van de Groep, einer der Autoren des Papiers, hat gut erklärt, warum diese Linsen AR weiter voranbringen könnten. Wie Jorik erklärt:

“Die Linse kann in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Sicht durch die Linse nicht gestört werden soll, aber ein kleiner Teil des Lichts abgegriffen werden kann, um Informationen zu sammeln. Das macht sie perfekt für tragbare Brillen, wie für Augmented Reality.”

Die Forscher versuchen, die Lösung zu verbessern und effizienter zu machen, indem sie komplexere und multifunktionale optische Beschichtungen testen. In diesen Lösungen könnten die Funktionen elektrisch angepasst werden. Einer der Vorteile der Arbeit mit Exzitonen ist, dass sie, da sie sehr empfindlich auf die Ladungsdichte eines Materials reagieren (das Maß für die Ansammlung elektrischer Ladung in einem bestimmten Feld), das Anlegen einer Spannung hilft, Änderungen im Brechungsindex des Materials zu bewirken.

Insgesamt könnte das Experiment und seine Ergebnisse einen bahnbrechenden Einfluss auf AR und die Verwendung von Linsen in AR‑Geräten haben. Von Anfang an haben Wissenschaftler die Qualität von AR‑Linsen experimentell untersucht, da sie entscheidende interaktive Werkzeuge für Nutzer sind, um mit Räumen zu interagieren, die über die Realität hinausgehen. Vor ein paar Jahren führte ein ähnliches bahnbrechendes Experiment zu praktischen Tests der ersten AR‑basierten Smart‑Kontaktlinse.

Klicken Sie hier für eine Liste von Vorreitern, die die AR/VR‑Grenze neu definieren.

Die erste AR‑basierte Smart‑Kontaktlinse

Im Jahr 2022 kündigte Mojo Vision, ein Unternehmen, das sich als Vorreiter für die Zukunft der Micro‑LED‑Technologie versteht, die Einführung von Mojo Lens an, die weltweit erste Augmented‑Reality‑Kontaktlinse. Es war ein Upgrade des vollständig eigenständigen Mojo‑Lens‑Prototyps des Unternehmens, der ursprünglich 2020 eingeführt wurde. 

Der Prototyp war mit einem 14.000 Pixel‑pro‑Zoll MicroLED‑Display ausgestattet, das einen Durchmesser von > 0,5 mm und eine Pixelgröße von 1,8 µm aufwies. Zu dieser Zeit galt er als das kleinste, dichteste Display der Welt, das dynamische Inhalte unterstützt. Zusätzlich verfügte er über einen kundenspezifisch konfigurierten Beschleunigungssensor, Gyroskop und Magnetometer, um eine kontinuierliche Verfolgung der Augenbewegungen zu ermöglichen. Allerdings erforderte die Linse, dass der Nutzer ARM‑Prozessoren um den Hals trug, die eine drahtlose Weiterleitung von Informationen zur Linse und zurück zu den Computern, die die Augenbewegungen verfolgten, ermöglichen konnten.

Zwischen 2022 und 2024 hat Mojo Lens seine Technologie und Produkte weiterentwickelt, um dynamische Displays zu bieten, die 28.000 Pixel pro Zoll erreichten. Die Kerntechnologie umfasst jetzt effiziente blaue Micro‑LED‑Geräte im Sub‑µm‑Maßstab und hochwirksame Quantum‑Dot‑Tinte, während das Anzeige‑System auf den Säulen eines optimierten CMOS‑Backplanes, Wafer‑zu‑Wafer‑Bondings und kundenspezifischer Mikrolinsen‑Optik beruht. 

Durch die Verwendung einer Mojo‑Mikrolinse, deren Durchmesser dem Pixelabstand entspricht und die auf einem viel kleineren uLED‑Emitter platziert ist, kann bis zu fünfmal mehr Lichtstrom in die Eintrittspupille typischer AR‑Wellenleiter im Vergleich zu herkömmlichen Displays geleitet werden.

Während die Mojo‑Lens‑Lösung ein Trendsetter ist, haben große Technologieriesen erhebliche Forschung und Ressourcen in den Aufbau hochmoderner AR‑Betrachtungslösungen investiert.

#1. 3M

Ein globales Unternehmen, das herausragende Arbeit bei der Entwicklung fortschrittlicher optischer Lösungen für AR/VR‑Geräte geleistet hat, ist 3M. Seine optischen Lösungen unterstützen Headsets, die immersive Visuals von optimaler Qualität bieten und virtuell‑physische Welten nahtlos zusammenführen. 

Eines der technologischen Wunder, auf denen 3M die meisten seiner hochmodernen Linsen entwickelt, ist das Paradigma der gefalteten Optik oder Pancake‑Optik. In diesem Paradigma faltet die Technologie den optischen Pfad, was zu klaren Bildern mit einem weiten Sichtfeld (FOV) und einem insgesamt dünneren Gerät führt. 

Die 3M HARP‑Linse, die 2022 den Society of Display Component of the Year gewann, integrierte einen bikristallinen reflektierenden Polarisator, um kompakte Eyepieces mit mittlerem Sichtfeld und Weit‑FOV‑Optiken für Head‑Mounted‑Displays zu erzeugen, die gefaltete Optik in der Linsenkonfiguration nutzen. 

3M setzte die HARP‑Linse in einem Pegatron‑Prototyp‑Headset ein, um ein 50 % dünneres Linsenmodul im Vergleich zu einem Headset mit Fresnel‑Linsenmodul zu erzeugen, was zu einem insgesamt 40 % dünneren Headset führte. 

Die Linse sorgte für einen geringeren Abstand zwischen dem Display und dem Auge des Nutzers, was zu weniger Kunststoff und Gewicht insgesamt führte. 

MTF, oder Modulationsübertragungsfunktion, wird gemessen, um die Fähigkeit eines Linsensystems zu beurteilen, den Kontrast eines Objekts bei der Abbildung beizubehalten. Die 3M HARP‑Linse zeigte akzeptable MTF für Pixel so klein wie 9 Mikrometer. 3M behauptet, an AR‑Lösungen für verschiedene Anwendungen und Branchen zu arbeiten.

Für das Geschäftsjahr 2023, betrug der Jahresumsatz von 3M 32,68 Milliarden $, ein bemerkenswerter Anstieg gegenüber dem Wert von 34,23 Milliarden $ im Jahr 2022. 

#2. Corning

Ein weiterer führender globaler Akteur, der behauptet, über ‘unvergleichliche Expertise in Glastechnik, Keramikwissenschaft und optischer Physik mit tiefgreifenden Fertigungs- und Engineering‑Fähigkeiten’ zu verfügen, hat sich einen Namen in der Entwicklung hochmoderner glasbasierter Lösungen für Augmented‑/Mixed‑Reality‑Geräte (AR/MR) gemacht.

Corning war das erste Unternehmen, das anbot ultra‑flache, hochbrechende Glaswafer für führende AR/MR‑Gerätehersteller. Bei der Entwicklung seiner Lösungen nutzte Corning wellenleitungsbasierte Designs. 

Der Vorteil wellenleitungsbasierter Designs besteht darin, dass sie den Bau von AR‑Geräten ermöglichen, die schlanker und leichter sind. Diese Wellenleiter nutzen ultra‑flaches Glas mit hohem Brechungsindex, um die Bildqualität zu optimieren und ein großes Eye‑Box zu bieten, was zu einem deutlich verbesserten Nutzererlebnis hinsichtlich der Immersion führt. Neben den Lösungen bietet Corning auch Fertigungstechnologien für AR/MR‑Geräte für Kunden an, die an einer Hochvolumenproduktion von AR/MR‑Geräten interessiert sind. Corning bietet erstklassige Flachheits‑Metrologiegeräte von Corning Tropel und hochpräzise, automatisierte Laser‑Glas‑Schneidemaschinen von Corning Laser Technologies.

Für das Gesamtjahr 2023, verzeichnete Corning GAAP-Umsätze von 12,6 Milliarden $, ein Rückgang von 11 %. 

Die Zukunft von AR‑bereiten optischen Lösungen

Augmented Reality hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Sehen und Wahrnehmung erleben, drastisch zu verbessern. Die Welt der intelligenten Kontaktlinsen wächst, und Unternehmen wie Samsung, Sony und Google haben entscheidende F&E‑Ressourcen darin investiert. 

Samsungs Beteiligung an der Herstellung intelligenter Kontaktlinsen wird seit 2016 diskutiert, als das Unternehmen ein Patent für intelligente Kontaktlinsen anmeldete. Laut spekulativen Berichten wurde das Patent eingereicht für eine Smart‑Contact‑Linsen‑Technologie, die Bilder in die Augen des Trägers projizieren könnte. Von einem Wissenschaftler in Südkorea entwickelt, konzentrierte sich die Anmeldung auf den Aspekt der AR‑Kompatibilität, wobei die Linse ein winziges Display, eine Kamera und eine Antenne enthielt. Sie konnte computergenerierte Bilder über die reale Welt legen. Berichten zufolge konnten die Sensoren durch Blinzeln gesteuert werden, und der Träger konnte durch Zwinkern Fotos aufnehmen. 

Der Erfolg von AR, in Bezug darauf, dass sie sensibler und immersiver wird, würde zu einem großen Teil von den Innovationen abhängen, die im Bereich ihrer optischen Merkmale stattfinden. 

Die Zukunft würde Linsen umfassen, bei denen Nutzer bequem Informationen über ihr Sichtfeld gelegt bekommen können. Die Art der Informationen könnte alles sein, von Navigationsdetails über übersetzte Fremdsprachen bis hin zu Echtzeit‑Updates. Ein weiterer bedeutender Vorteil von AR‑Kontaktlinsen wäre ihre Fähigkeit, eine transformative Lösung für sehbehinderte Personen zu bieten. 

Allerdings würde die Bereitstellung dieses Dienstes auf möglichst effiziente Weise erfordern, dass die Linsen bei der Objekterkennung, Gesichtserkennung und Bereitstellung akustischer Hinweise weiter verbessert werden.

AR‑Kontaktlinsen der nächsten Generation würden als klarer Sieger in dem Bereich hervortreten, der sich mit Komfort und Portabilität von Lösungen befasst. Sie werden Headsets leichter und angenehmer zu tragen machen. Ein weiterer Aspekt der nächsten Generation, der ihr Gedeihen fördert, ist, dass sie über die Sehverbesserung hinausgehen und eine Vielzahl von Überwachungsfunktionen integrieren.

Diese überwachten Parameter, zu denen Biomarker gehören, würden AR im Bereich Gesundheit und Diagnostik zum Aufblühen bringen. 

Entwickler müssen jedoch bei der Entwicklung ihrer Lösungen einige wesentliche Aspekte berücksichtigen. Die Linsen sollten Datenschutzbedenken proaktiv und kompetent adressieren. Sie müssen sicherstellen, dass potenzielle Risikobereiche und Missbrauch wichtiger Informationen minimiert werden. Nur dann wird AR ein Teil unseres Alltags werden. 

Klicken Sie hier für eine Liste der wichtigsten AR‑ und VR‑Aktien, die Sie in Betracht ziehen sollten.