Améliorer la Réalité Augmentée avec des Lentilles de Nouvelle Génération

L’une des plus grandes écoles de design en ligne au monde, Interaction Design Foundation, définit la réalité augmentée comme ‘une expérience où les concepteurs améliorent des parties du monde physique des utilisateurs avec des entrées générées par ordinateur.’ IBM, l’une des entreprises pionnières qui nous a toujours présenté de nouvelles formes de technologies révolutionnaires, voit et étudie la RA comme le ‘intégration en temps réel d’informations numériques dans l’environnement d’un utilisateur.’ 

Ces définitions prouvent que la réalité augmentée n’est rien de moins qu’un bond radical, impliquant des perceptions hautement imaginatives de ce que la technologie pourrait nous offrir et des solutions minutieusement conçues pour transformer ces perceptions en réalité. 

Faire de la réalité augmentée une proposition efficace et efficiente sur le terrain nécessite que de nombreux facteurs fonctionnent correctement. La convergence des mondes numérique et physique doit être sans défauts et fluide. Les interactions doivent se dérouler en temps réel, et l’identification des objets virtuels et réels dans les interfaces tridimensionnelles doit être précise. 

Au fil des ans, les chercheurs et les équipes de projets technologiques innovants ont travaillé sans relâche à perfectionner ces facteurs. De nouvelles recherches ont suscité beaucoup d’enthousiasme dans ce domaine. Des scientifiques ont créé la lentille la plus fine de la planète, activée par des excitons, qui pourrait être utilisée dans les futures lunettes de RA. Dans la section suivante, nous approfondissons cette recherche. 

Lentille activée par excitons : la plus fine sur Terre

Un groupe de chercheurs de l’Université d’Amsterdam et de l’Université Stanford, Californie, ont exploité une couche unique de disulfure de tungstène (WS2) pour développer une lentille plate d’une largeur de un demi-millimètre mais d’une épaisseur de seulement 0,0000006 millimètre, soit 0,6 nanomètre. Ces paramètres font de cette lentille la plus fine sur Terre. 

Outre l’utilisation d’un matériau extrêmement inhabituel pour fabriquer des lentilles, cette lentille est également une exception dans son mode de fonctionnement. Alors que les lentilles normales s’appuient sur leur forme courbée pour dévier et focaliser la lumière, cette lentille plate d’une épaisseur de trois atomes exploite les effets quantiques. 

Contrairement aux lentilles habituelles, ces lentilles tirent parti du phénomène de diffraction plutôt que de la réfraction. Elles sont composées d’anneaux concentriques de WS2 avec des espaces entre eux pour focaliser la lumière par diffraction. La distance entre ces anneaux et leur taille déterminent la longueur focale de la lentille. 

Pour rendre la mise au point efficace, ces lentilles dépendent des effets quantiques au sein du WS2. West Texas A&M University Associate Professor of Physics Christopher S. Baird définit les effets quantiques comme des effets qui ne sont pas ‘correctement prédites par la physique classique, mais sont correctement prédites par la théorie quantique.’ La physique classique considère la ‘matière’ comme quelque chose qui se compose de petites particules solides.

“Par conséquent, chaque fois que nous faisons agir les morceaux de matière comme des ondes, nous démontrons un effet quantique.”

– Professeur Baird

La supraconductivité, par exemple, est un effet quantique macroscopique. Dans ce cas, les effets quantiques permettent au matériau d’absorber et de réémettre efficacement la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. En conséquence, la lentille possède une capacité intégrée qui l’aide à mieux fonctionner pour ces longueurs d’onde. 

Si nous essayons de mieux comprendre le rôle des effets quantiques, ils fonctionnent comme une amélioration où le WS2 absorbe la lumière en envoyant un électron à un niveau d’énergie supérieur. L’absence de l’électron chargé négativement laisse derrière elle un trou chargé positivement dans le réseau atomique. Ce trou reste lié à l’électron par une force électrostatique attractive qui agit entre eux. Cette formation de l’électron, du trou dans le réseau et de la force qui les relie est connue sous le nom d’« exciton ». À des longueurs d’onde spécifiques de la lumière émise par les excitons, ces lentilles atteignent un pic net de leur efficacité.

Jorik van de Groep, l’un des auteurs de l’article, a bien expliqué pourquoi ces lentilles pourraient aider la RA à progresser davantage. Comme l’explique Jorik :

“La lentille peut être utilisée dans des applications où la vue à travers la lentille ne doit pas être perturbée, mais une petite partie de la lumière peut être captée pour collecter des informations. Cela la rend parfaite pour les lunettes portables, comme pour la réalité augmentée.”

Les chercheurs tentent d’améliorer la solution et de la rendre plus efficace en testant des revêtements optiques plus complexes et multifonctionnels. Dans ces solutions, les fonctions pourraient être ajustées électriquement. L’un des avantages de travailler avec les excitons est que, puisqu’ils sont très sensibles à la densité de charge d’un matériau (la mesure de l’accumulation de charge électrique dans un champ donné), l’application d’une tension aide à modifier l’indice de réfraction du matériau.

Dans l’ensemble, l’expérience et ses résultats pourraient avoir un impact révolutionnaire sur la RA et son utilisation des lentilles sur les appareils de RA. Depuis le tout début, les scientifiques expérimentent la qualité des lentilles de RA, car elles sont des outils interactifs cruciaux permettant aux utilisateurs d’interagir avec des espaces qui dépassent la réalité. Il y a quelques années, une expérience similaire et révolutionnaire a conduit à des tests sur le terrain pour la première lentille de contact intelligente basée sur la RA.

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La toute première lentille de contact intelligente basée sur la RA

En 2022, Mojo Vision, une entreprise qui prétend être pionnière dans l’avenir de la technologie Micro-LED, a annoncé le lancement de Mojo Lens, la première lentille de contact en réalité augmentée au monde. Il s’agissait d’une amélioration du prototype entièrement autonome de Mojo Lens qui avait été lancé initialement en 2020. 

Le prototype était équipé d’un écran MicroLED de 14 000 pixels par pouce mesurant > 0,5 mm de diamètre avec un pas de pixel de 1,8 micron. À l’époque, il était considéré comme l’écran le plus petit et le plus dense du monde pour gérer du contenu dynamique. De plus, il disposait d’un accéléromètre, d’un gyroscope et d’un magnétomètre configurés sur mesure pour faciliter le suivi continu des mouvements oculaires. Cependant, la lentille nécessitait que l’utilisateur porte des processeurs ARM autour du cou, ce qui permettait une transmission sans fil des informations vers la lentille et retour aux ordinateurs qui suivaient les mouvements oculaires.

Entre 2022 et 2024, Mojo Lens a continué d’innover sa technologie et ses produits pour offrir des écrans dynamiques atteignant 28 000 pixels par pouce. La technologie de base implique désormais des dispositifs micro-LED bleus efficaces à l’échelle sub-µm et une encre à points quantiques haute efficacité, tandis que le système d’affichage repose sur les piliers d’un plan arrière CMOS optimisé, d’un collage wafer‑to‑wafer et d’optiques micro‑lentilles personnalisées. 

En utilisant une micro‑lentille Mojo, dont le diamètre correspond au pas de pixel placé au-dessus d’un émetteur uLED beaucoup plus petit, il est possible de fournir jusqu’à 5 fois plus de flux lumineux dans la pupille d’entrée des guides d’ondes AR typiques par rapport aux écrans conventionnels.

Alors que la solution Mojo Lens est un précurseur, les grands géants technologiques ont investi d’importantes recherches et ressources dans la création de solutions de visualisation AR haut de gamme et de pointe.

#1. 3M

Une entité mondiale qui a réalisé un travail phénoménal en développant des solutions optiques avancées pour les appareils AR/VR est 3M. Ses solutions optiques prennent en charge les casques offrant des visuels immersifs de qualité optimale qui fusionnent sans effort les mondes virtuel et physique. 

L’une des merveilles technologiques sur lesquelles 3M développe la plupart de ses lentilles de pointe est le paradigme de l’optique pliée ou optique « pancake ». Dans ce paradigme, la technologie plie le trajet optique, ce qui donne des images nettes avec un champ de vision (FOV) large et un dispositif global plus fin. 

La lentille 3M HARP, qui a remporté le prix 2022 Society of Display Component of the Year, intégrait un polariseur réfléchissant biréfringent pour produire des oculaires compacts à champ de vision moyen et des optiques à champ de vision large pour les affichages montés sur la tête en utilisant l’optique pliée dans la configuration de la lentille. 

3M a utilisé la lentille HARP dans un casque prototype de Pegatron pour produire un module de lentille 50 % plus fin comparé à un casque utilisant un module de lentille Fresnel, ce qui a abouti à un casque globalement 40 % plus fin. 

La lentille a réduit la distance entre l’affichage et l’œil de l’utilisateur, ce qui a entraîné moins de plastique et de poids au total. 

Le MTF, ou fonction de transfert de modulation, est mesuré pour évaluer la capacité d’un système de lentilles à maintenir le contraste d’un objet lors de l’imagerie. La lentille 3M HARP a démontré un MTF acceptable pour des pixels aussi petits que 9 microns. 3M affirme travailler sur des solutions AR pour diverses applications et industries.

Pour l’exercice fiscal 2023, le chiffre d’affaires annuel de 3M était de 32,68 milliards de dollars, une augmentation notable par rapport à son chiffre de 2022 de 34,23 milliards de dollars. 

#2. Corning

Un autre acteur mondial de premier plan qui affirme posséder une « expertise inégalée en science du verre, science de la céramique et physique optique avec de profondes capacités de fabrication et d’ingénierie » s’est fait un nom dans le développement de solutions de pointe à base de verre pour les appareils de réalité augmentée/mixte (RA/MR). 

Corning a été la première entreprise à offrir des plaquettes de verre ultra‑plates, à indice de réfraction élevé, pour les principaux fabricants d’appareils AR/MR. En développant ses solutions, Corning a exploité des conceptions basées sur des guides d’ondes. 

L’avantage des conceptions basées sur des guides d’ondes réside dans le fait qu’elles facilitent la construction d’appareils AR plus élégants et plus légers. Ces guides d’ondes utilisent du verre ultra‑plat à indice de réfraction élevé pour optimiser la qualité d’image et offrir une grande zone oculaire, ce qui améliore considérablement l’expérience utilisateur en termes de qualité immersive. En plus de ces solutions, Corning propose également des technologies de fabrication d’appareils AR/MR aux clients intéressés par la production en grand volume d’appareils AR/MR. Corning offre des instruments de métrologie de planéité de premier ordre de Corning Tropel et des machines de découpe laser du verre très précises et automatisées de Corning Laser Technologies.

Pour l’année complète 2023, Corning a enregistré des ventes GAAP de 12,6 milliards de dollars, en baisse de 11 %. 

L’avenir des solutions optiques prêtes pour la RA

La réalité augmentée a le potentiel d’améliorer radicalement notre façon de percevoir la vision et la vue. Le monde des lentilles de contact intelligentes se développe, et des entreprises comme Samsung, Sony et Google y ont investi des ressources cruciales en R&D. 

L’implication de Samsung dans la fabrication de lentilles de contact intelligentes a été évoquée depuis 2016, lorsque l’entreprise a déposé un brevet sur les lentilles de contact intelligentes. Selon des rapports spéculatifs, le brevet a été déposé pour une technologie de lentille de contact intelligente capable de projeter des images dans les yeux du porteur. Créée par un scientifique en Corée du Sud, la demande était centrée sur l’aspect de compatibilité RA, où la lentille possédait un petit affichage, une caméra et une antenne. Elle pouvait superposer des images générées par ordinateur sur le monde réel. Il a été rapporté que les capteurs pouvaient être contrôlés par le clignement des yeux, et que le porteur pouvait prendre des photographies en clignant d’un œil. 

Le succès de la RA, en termes de sensibilité et d’immersion accrues, dépendra en grande partie des innovations qui se produiront dans le domaine de ses caractéristiques optiques. 

L’avenir impliquera des lentilles où les utilisateurs pourront confortablement voir des informations superposées à leur champ de vision. Le type d’information pourrait être n’importe quoi, des détails de navigation aux langues étrangères traduites en passant par des mises à jour en temps réel. Un autre avantage important des lentilles de contact RA serait leur capacité à offrir une solution transformatrice pour les personnes malvoyantes. 

Cependant, offrir ce service de la manière la plus efficace possible nécessiterait que les lentilles améliorent davantage l’identification d’objets, la reconnaissance faciale et la fourniture d’indices sonores. 

Les lentilles de contact AR de prochaine génération émergeront comme un gagnant clair dans le domaine de la commodité et de la portabilité des solutions. Elles rendront les casques plus légers et plus confortables à porter. Un autre aspect des lentilles de prochaine génération qui les fera prospérer est qu’elles vont au-delà de l’amélioration de la vision et intègrent de nombreuses fonctions de surveillance.

Ces paramètres surveillés, qui comprennent des biomarqueurs, aideront la RA à prospérer dans le domaine de la santé et du diagnostic. 

Cependant, les développeurs doivent être attentifs à quelques aspects essentiels lors du développement de leurs solutions. Les lentilles doivent aborder les préoccupations relatives à la vie privée de manière proactive et compétente. Elles doivent veiller à ce que les zones potentielles de risque et d’abus d’informations vitales soient minimisées. Ce n’est qu’alors que la RA deviendra une partie de notre quotidien. 

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