Lisätyn todellisuuden parantaminen seuraavan sukupolven linssien avulla

Yksi maailman suurimmista verkossa toimivista suunnittelukouluista, Interaction Design Foundation, määrittelee lisätyn todellisuuden ‘kokemukseksi, jossa suunnittelijat parantavat käyttäjän fyysisen maailman osia tietokoneella tuotetun sisällön avulla.’ IBM, yksi pioneereista, joka on aina esitellyt meille uusia mullistavia teknologioita, näkee ja tutkii AR:ää ‘digitaalisen tiedon reaaliaikaisena integrointina käyttäjän ympäristöön.’ 

Nämä määritelmät osoittavat, että lisätty todellisuus on radikaali harppaus, joka sisältää erittäin mielikuvituksellisia käsityksiä siitä, mitä teknologia voisi meille tarjota, sekä monimutkaisesti rakennettuja ratkaisuja näiden käsitysten toteuttamiseksi. 

Lisätyn todellisuuden tekeminen tehokkaaksi ja toimivaksi ratkaisuksi vaatii monien tekijöiden toimimista hyvin. Digitaalisen ja fyysisen maailman yhdistymisen on oltava virheetöntä ja saumatonta. Vuorovaikutusten on tapahduttava reaaliajassa, ja virtuaalisten ja todellisten objektien tunnistamisen kolmiulotteisissa käyttöliittymissä on oltava tarkkaa. 

Vuosien varrella tutkijat ja innovatiiviset teknologiaprojektitiimit ovat sinnikkäästi työskennelleet näiden tekijöiden hiomisen eteen. Uusi tutkimus on herättänyt suurta innostusta tällä alalla. Tiedemiehet ovat luoneet planeetan ohuimman linssin, jonka mahdollistavat eksitoni, ja jota voitaisiin käyttää tulevissa AR-laseissa. Seuraavassa osassa syvennymme tarkemmin tähän tutkimukseen. 

Eksitoni-aktiivinen linssi: Maailman ohuin

Tutkijoiden ryhmä Amsterdamin yliopistosta ja Kalifornian Stanfordin yliopistosta on hyödyntänyt tungstendisulfidi (WS2) -yksikerrosta kehittääkseen litteän linssin, jonka leveys on puoli millimetri, mutta paksuus vain 0,0000006 millimetriä eli 0,6 nanometriä. Nämä parametrit tekevät linssistä maapallon ohuimman.

Linssin valmistamiseen käytetyn poikkeuksellisen epätavallisen materiaalin lisäksi linssi on myös poikkeuksellinen toiminnassaan. Kun tavalliset linssit luottavat kaarevaan muotoonsa valon taittamiseen ja fokusoimiseen, tämä kolmen atomin paksu litteä linssi hyödyntää kvanttiefektejä. 

Toisin kuin tavalliset linssit, nämä linssit hyödyntävät diffraktiokuvioita sen sijaan, että ne käyttäisivät refraktiota. Ne koostuvat WS2:n keskittyvistä renkaista, joiden väleissä on aukkoja valon fokusoimiseksi diffraktion avulla. Renkaiden välinen etäisyys ja niiden koko määrittävät linssin polttovälin. 

Fokuksen tehostamiseksi nämä linssit riippuvat WS2:n sisäisistä kvanttiefekteistä. West Texas A&M -yliopiston fysiikan apulaisprofessori Christopher S. Baird määrittelee kvanttiefektit ‘efekteiksi, joita klassinen fysiikka ei ‘sopivasti ennusta, mutta kvanttiteoria ennustaa oikein.’ Klassinen fysiikka näkee ‘aineen’ koostuvan pienistä, kiinteistä hiukkasista.

“Siksi aina kun saamme aineen osat käyttäytymään kuin aallot, osoitamme kvanttiefektin.”

– Professori Baird

Esimerkiksi suprajohtavuus on makroskooppinen kvanttiefekti. Tässä tapauksessa kvanttiefektit mahdollistavat materiaalin tehokkaan valon absorboinnin ja uudelleensäteilyn tietyillä aallonpituuksilla. Tämän seurauksena linssissä on sisäänrakennettu kyky, joka auttaa sitä toimimaan paremmin näillä aallonpituuksilla. 

Jos pyrimme ymmärtämään kvanttiefektien roolia paremmin, ne toimivat vahvistuksena, jossa WS2 absorboi valoa siirtämällä elektronin korkeampaan energiatilaan. Negatiivisesti varautuneen elektronin poissaolo jättää positiivisesti varautuneen aukon atomirakenteeseen. Tämä aukko pysyy yhdistettynä elektroniin vetovoiman kautta, joka toimii niiden välillä. Elektronin, verkon aukon ja niiden välisten voimien muodostelmaa kutsutaan ‘eksitoniksi.’ Tietyillä eksitonien lähettämillä valon aallonpituuksilla nämä linssit saavuttavat selkeän huipun tehokkuudessa.

Jorik van de Groep, yksi paperin kirjoittajista, on selittänyt hyvin, miksi nämä linssit voisivat edistää AR:n kehitystä. Kuten Jorik selittää:

“Linssiä voidaan käyttää sovelluksissa, joissa linssin läpi näkemistä ei saa häiritä, mutta pientä osaa valosta voidaan hyödyntää tiedon keräämiseen. Tämä tekee siitä täydellisen kannettaville laseille, kuten lisätyn todellisuuden sovelluksiin.”

Tutkijat pyrkivät päivittämään ratkaisua ja tekemään siitä tehokkaamman kokeilemalla monimutkaisempia ja monitoimisia optisia pinnoitteita. Näissä ratkaisuissa toimintoja voidaan säätää sähköisesti. Yksi eksitonien kanssa työskentelyn eduista on se, että ne ovat erittäin herkkiä materiaalin varaustiheydelle (mittari sähkövarauksen kertymiselle tietyllä alueella), ja jännitteen soveltaminen auttaa muuttamaan materiaalin taitekerrointa.

Kaiken kaikkiaan kokeilu ja sen tulokset voivat vaikuttaa mullistavasti AR:ään ja sen linssien käyttöön AR-laitteissa. Alusta alkaen tiedemiehet ovat kokeilleet AR-linssejen laatua, sillä ne ovat keskeisiä vuorovaikutustyökaluja käyttäjille, jotka haluavat olla vuorovaikutuksessa todellisuutta ylittävien tilojen kanssa. Muutama vuosi sitten samankaltainen mullistava kokeilu johti maassa tapahtuvaan testaukseen ensimmäisen AR-pohjaisen älykkään silmälasinsädeksi.

Klikkaa tästä saadaksesi listan edelläkävijäyrityksistä, jotka määrittelevät AR/VR-alueen uudelleen.

Ensimmäinen koskaan AR-pohjainen älykäs silmälinsse

Vuonna 2022 Mojo Vision, yritys, joka väittää olevansa mikro-LED-teknologian tulevaisuuden edelläkävijä, ilmoitti Mojo Lens -laitteen lanseeraamisesta, maailman ensimmäinen lisätyn todellisuuden silmälinsse. Se oli päivitys yrityksen täysin itsenäiseen Mojo Lens -prototyyppiin, joka alun perin lanseerattiin vuonna 2020. 

Prototyyppi sisälsi 14 000 pikseliä tuumalla MicroLED-näytön, jonka halkaisija oli > 0,5 mm ja pikselin välistys 1,8 mikronia. Tuolloin sitä pidettiin maailman pienimpänä ja tiheimpänä näytön, joka soveltui dynaamiseen sisältöön. Lisäksi siinä oli räätälöity kiihtyvyysanturi, gyroskooppi ja magnetometri jatkuvan silmänliikkeen seurannan mahdollistamiseksi. Kuitenkin linssi vaati käyttäjältä ARM-prosessorien kantamista kaulassa, mikä mahdollisti tiedon langattoman välityksen linssille ja takaisin silmänliikettä seuraaville tietokoneille.

Vuosien 2022 ja 2024 välillä Mojo Lens jatkoi teknologiansa ja tuotteidensa innovointia tarjotakseen dynaamisia näyttöjä, jotka saavuttivat 28 000 pikseliä tuumalla. Ydin teknologia sisältää nyt tehokkaita sinisiä mikro-LED-laitteita alimmalla mikromittakaavalla ja korkean hyötysuhteen kvanttitäppäinkynää, kun taas näyttöjärjestelmä perustuu optimoituun CMOS-taustapintaan, wafer-to-wafer -sidosiin ja räätälöityihin mikro-linssioptikoihin.

Käyttämällä Mojo-mikrolinssiä, jonka halkaisija vastaa pikselin välistystä ja joka on sijoitettu paljon pienemmän uLED-säteilijän päälle, on mahdollista toimittaa jopa viisi kertaa enemmän valovirtaa tyypillisen AR-aaltoputken sisäänkäynnin pupilliin verrattuna perinteisiin näyttöihin.

Vaikka Mojo Lens -ratkaisu on trendin asettaja, suuret teknologiayritykset ovat investoineet merkittävästi tutkimukseen ja resursseja rakentaakseen huippuluokan, huipputeknisiä AR-näyttöratkaisuja.

#1. 3M

Yksi globaali toimija, joka on tehnyt merkittävää työtä kehittyneiden optisten ratkaisujen kehittämisessä AR/VR-laitteille, on 3M. Sen optiset ratkaisut tukevat kuulokkeita, jotka tarjoavat immersiivisiä visuaaleja, joissa virtuaalinen ja fyysinen maailma sulautuvat saumattomasti. 

Yksi teknologisista ihmeistä, jonka pohjalta 3M kehittää suurimman osan huipputason linsseistään, on taitettujen optiikoiden tai pannukko-optisten paradigma. Tässä paradigmassa teknologia taittaa optisen polun, mikä johtaa terävään kuvanlaatuun laajalla näkökentällä (FOV) ja ohuempaan laitteeseen kokonaisuudessaan. 

3M HARP -linssi, joka voitti vuoden 2022 Society of Display Component of the Year -palkinnon, sisälsi birefringenttisen heijastavan polarisoijan tuottaakseen kompakteja, keskikokoisen FOV:n silmälaseja ja laajaa FOV:ta optiikkaa pääasiallisille näytöille, jotka käyttävät taitettuja optiikoita linssikonfiguraatiossa. 

3M käytti HARP-linssejä Pegatronin prototyyppikuulokkeessa, mikä tuotti 50 % ohuemman linssimoduulin verrattuna Fresnel-linssimoduulia käyttävään kuulokkeeseen, ja johti 40 % ohuempaan kokonaiskuulokkeeseen. 

Linssi varmisti lyhyemmän etäisyyden näytön ja käyttäjän silmän välillä, mikä johti vähemmän muovia ja painoa. 

MTF, eli moduloinnin siirtofunktio, mitataan linssijärjestelmän kyvyn arvioimiseksi säilyttää kohteen kontrasti kuvattuna. 3M HARP -linssi osoitti hyväksyttävän MTF:n jopa 9 mikronin kokoisille pikseleille. 3M väittää työskentelevänsä AR-ratkaisujen parissa monenlaisissa sovelluksissa ja teollisuudenaloilla.

Vuodelle 2023, 3M:n vuotuinen liikevaihto oli 32,68 miljardia dollaria, merkittävä kasvu vuoden 2022 34,23 miljardiin verrattuna. 

#2. Corning

Toinen johtava globaali toimija, joka väittää omaavansa ‘verrattaamattoman asiantuntemuksen lasitieteessä, keraamisessa tieteessä ja optisessa fysiikassa syvällä valmistus- ja insinöörikyvyllä’, on luonut nimen itselleen kehittyneiden lasipohjaisten ratkaisujen kehittämisessä lisätyn/sekoitetun (AR/MR) todellisuuden laitteille.

Corning oli ensimmäinen yritys, joka tarjosi ultra-tasaisia, erittäin korkean taitekerroin lasilevyjä johtaville AR/MR-laitteiden valmistajille. Kehittäessään ratkaisujaan Corning hyödynsi aallonjohtimipohjaisia suunnitelmia. 

Aallonjohtimipohjaisten suunnitelmien etu on se, että ne mahdollistavat AR-laitteiden rakentamisen sirommiksi ja kevyemmiksi. Nämä aallonjohtimet hyödyntävät ultra-tasaisia laseja, joilla on korkea taitekerroin, optimoidakseen kuvanlaadun ja tarjotakseen suuren silmälaatikon, mikä parantaa käyttäjäkokemusta immersiivisessa laadussa. Ratkaisujen lisäksi Corning tarjoaa myös AR/MR-laitteiden valmistusteknologioita asiakkaille, jotka ovat kiinnostuneita suurista tuotantomääristä. Corning tarjoaa huippuluokan tasaisuuden mittauslaitteita Corning Tropel -tuotteesta ja erittäin tarkkoja, automatisoituja laserlasinleikkauskoneita Corning Laser Technologies -tuotteesta.

Koko vuodelle 2023, Corning rekisteröi GAAP-myyntiä 12,6 miljardia dollaria, 11 % laskua. 

AR-valmiiden optisten ratkaisujen tulevaisuus

Lisätyllä todellisuudella on potentiaalia parantaa merkittävästi tapaamme havaita näköä ja näkemistä. Älykkäiden silmälinssejen maailma kasvaa, ja yritykset kuten Samsung, Sony ja Google ovat investoineet siihen ratkaisevia T&K-resursseja. 

Samsungin osallistuminen älykkäiden silmälinssejen valmistukseen on keskusteltu vuodesta 2016, jolloin yritys haki patenttia älykkäille silmälinsseille. Spekulatiivisten raporttien mukaan patentti haettiin älykkään silmälinssiteknologian osalta, joka voisi projisoida kuvia käyttäjän silmiin. Eteläkorealaisen tiedemiehen kehittämä hakemus keskittyi AR-yhteensopivuuteen, jossa linssissä oli pieni näyttö, kamera ja antenni. Se voisi päällekkäin asettaa tietokoneella luotuja kuvia todelliseen maailmaan. Ilmoitettujen tietojen mukaan antureita voitaisiin ohjata räpäyttämällä, ja käyttäjä voisi ottaa valokuvia silmäiskulla. 

AR:n menestys, sen yhä herkemmäksi ja immersiivisemmäksi kehittyminen, riippuu suurelta osin innovaatioista, jotka tapahtuvat sen optisten ominaisuuksien alalla. 

Tulevaisuudessa linssit mahdollistavat käyttäjien mukavan tiedon päällekkäisyyden heidän näkökenttäänsä. Tiedon tyyppi voi olla mitä tahansa, navigaatiotiedot, käännetyt vieraat kielet tai reaaliaikaiset päivitykset. Toinen merkittävä AR-silmälinssejen hyöty olisi niiden kyky tarjota mullistava ratkaisu näkövammaisille henkilöille. 

Kuitenkin tämän palvelun tarjoaminen mahdollisimman tehokkaasti edellyttää linssien parantamista objektien tunnistuksessa, kasvojen tunnistuksessa ja äänikehotusten tarjoamisessa. 

Seuraavan sukupolven AR-silmälinsset nousevat selkeiksi voittajiksi alalla, joka käsittelee ratkaisujen kätevyyttä ja kannettavuutta. Ne tekevät kuulokkeista kevyempiä ja mukavampia käyttää. Toinen seuraavan sukupolven linssien menestystekijä on se, että ne ylittävät pelkän näön parantamisen ja sisällyttävät joukon seurantatoimintoja.

Nämä seuratut parametrit, mukaan lukien biomarkkerit, auttavat AR:ta menestymään terveydenhuollon ja diagnostiikan alalla. 

Kehittäjien on kuitenkin otettava huomioon muutama tärkeä seikka kehittäessään ratkaisujaan. Linssien on proaktiivisesti ja pätevästi käsiteltävä yksityisyyskysymyksiä. Niiden on varmistettava, että mahdolliset riskialueet ja tärkeän tiedon väärinkäytön mahdollisuudet minimoidaan. Vasta silloin AR tulee osaksi arkeamme. 

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista AR & VR -osakkeista, joita kannattaa harkita.