Migliorare la realtà aumentata con lenti di nuova generazione

Una delle più grandi scuole di design online a livello globale, Interaction Design Foundation, definisce la realtà aumentata come ‘un’esperienza in cui i designer migliorano parti del mondo fisico degli utenti con input generati al computer.’ IBM, una delle aziende pionieristiche che ci ha sempre introdotto a nuove forme di tecnologia rivoluzionaria, vede e studia la AR come l’integrazione in tempo reale di informazioni digitali nell’ambiente dell’utente.’ 

Queste definizioni dimostrano che la realtà aumentata è nulla meno di un salto radicale, che coinvolge percezioni altamente immaginative di ciò che la tecnologia potrebbe offrirci e soluzioni intricatamente costruite per trasformare tali percezioni in realtà. 

Rendere la realtà aumentata una proposta efficace ed efficiente nella pratica richiede che molti fattori funzionino bene. L’integrazione dei mondi digitale e fisico deve essere priva di errori e fluida. Le interazioni devono avvenire in tempo reale e l’identificazione di oggetti virtuali e reali nelle interfacce tridimensionali deve essere accurata. 

Negli anni, ricercatori e team di progetti tecnologici innovativi hanno lavorato incessantemente per perfezionare questi fattori. Nuove ricerche hanno suscitato grande entusiasmo in questo ambito. Gli scienziati hanno creato la lente più sottile del pianeta, abilitata dagli eccitoni, che potrebbe essere utilizzata nei futuri occhiali AR. Nella sezione seguente, approfondiamo questa ricerca. 

Lente abilitata da eccitoni: la più sottile sulla Terra

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Amsterdam e della Stanford University, California, hanno sfruttato un unico strato di disolfuro di tungsteno (WS2) per sviluppare una lente piatta larga mezzo millimetro ma spessa solo 0.0000006 millimetri, ovvero 0,6 nanometri. Queste specifiche rendono la lente la più sottile sulla Terra. 

Oltre a utilizzare un materiale estremamente insolito per la costruzione delle lenti, questa lente è anche un’eccezione per il suo funzionamento. Mentre le lenti normali si basano sulla loro forma curva per deviare e focalizzare la luce, questa lente piatta spessa tre atomi utilizza effetti quantistici. 

Contrariamente alle lenti tradizionali, queste lenti sfruttano il fenomeno della diffrazione anziché della rifrazione. Sono composte da anelli concentrici di WS2 con spazi intermedi per focalizzare la luce tramite diffrazione. La distanza tra gli anelli e le loro dimensioni determinano la lunghezza focale della lente. 

Per rendere la messa a fuoco efficiente, queste lenti dipendono dagli effetti quantistici all’interno del WS2. Christopher S. Baird, professore associato di fisica presso la West Texas A&M University definisce gli effetti quantistici come effetti che non sono ‘correttamente previsti dalla fisica classica, ma sono correttamente previsti dalla teoria quantistica.’ La fisica classica vede la ‘materia’ come qualcosa che è composta da piccole particelle solide.

“Pertanto, ogni volta che facciamo comportare le particelle di materia come onde, stiamo dimostrando un effetto quantistico.”

– Professor Baird

La superconduttività, per esempio, è un effetto quantistico macroscopico. In questo caso, gli effetti quantistici consentono al materiale di assorbire e riemettere luce in modo efficiente a specifiche lunghezze d’onda. Di conseguenza, la lente possiede una capacità integrata che la aiuta a funzionare meglio per queste lunghezze d’onda. 

Se cerchiamo di comprendere meglio il ruolo degli effetti quantistici, essi agiscono come un potenziamento in cui il WS2 assorbe la luce inviando un elettrone a un livello energetico più alto. L’assenza dell’elettrone carico negativamente lascia dietro di sé un buco carico positivamente nella rete atomica. Questo buco rimane legato all’elettrone tramite una forza elettrostatica attrattiva che agisce tra loro. Questa formazione dell’elettrone, del buco nella rete e della forza che li unisce è nota come ‘eccitone.’ A specifiche lunghezze d’onda della luce emessa dagli eccitoni, queste lenti raggiungono un picco evidente nella loro efficienza. 

Jorik van de Groep, uno degli autori del documento, ha spiegato bene perché queste lenti potrebbero aiutare la AR a progredire ulteriormente. Come spiega Jorik:

“La lente può essere usata in applicazioni in cui la visuale attraverso la lente non deve essere disturbata, ma una piccola parte della luce può essere prelevata per raccogliere informazioni. Questo la rende perfetta per occhiali indossabili, come per la realtà aumentata.”

I ricercatori stanno cercando di migliorare la soluzione e renderla più efficiente sperimentando rivestimenti ottici più complessi e multifunzionali. In queste soluzioni, le funzioni potrebbero essere regolate elettricamente. Uno dei vantaggi di lavorare con gli eccitoni è che, poiché sono molto sensibili alla densità di carica di un materiale (la misura dell’accumulo di carica elettrica in un determinato campo), l’applicazione di una tensione aiuta a guidare il cambiamento dell’indice di rifrazione del materiale.

In totale, l’esperimento e i suoi risultati potrebbero avere un impatto rivoluzionario sulla AR e sul suo utilizzo di lenti nei dispositivi AR. Fin dall’inizio, gli scienziati hanno sperimentato la qualità delle lenti AR, poiché sono strumenti interattivi cruciali per gli utenti per interagire con spazi che vanno oltre la realtà. Alcuni anni fa, un esperimento pionieristico simile ha portato a test sul campo per il primo contatto intelligente basato su AR.

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La prima lente a contatto intelligente basata su AR

Nel 2022, Mojo Vision, un’azienda che afferma di essere una pioniera nella guida del futuro della tecnologia Micro-LED, ha annunciato il lancio di Mojo Lens, la prima lente a contatto al mondo per la realtà aumentata. È stato un aggiornamento del prototipo Mojo Lens completamente autonomo dell’azienda, lanciato originariamente nel 2020. 

Il prototipo era dotato di un display MicroLED da 14.000 pixel per pollice con un diametro superiore a 0,5 mm e un passo pixel di 1,8 micron. All’epoca, era considerato il display più piccolo e più denso al mondo per contenere contenuti dinamici. Inoltre, disponeva di un accelerometro, giroscopio e magnetometro configurati su misura per facilitare il tracciamento continuo del movimento degli occhi. Tuttavia, la lente richiedeva all’utente di indossare processori ARM intorno al collo, che potevano consentire un collegamento wireless di informazioni verso la lente e ritorno ai computer che tracciavano il movimento degli occhi.

Tra il 2022 e il 2024, Mojo Lens ha continuato a innovare la sua tecnologia e i suoi prodotti per offrire display dinamici che hanno raggiunto 28.000 pixel per pollice. La tecnologia di base ora coinvolge dispositivi micro-LED blu efficienti su scala sub-µm e inchiostro a punti quantistici ad alta efficienza, mentre il sistema di visualizzazione si basa sui pilastri di un backplane CMOS ottimizzato, bonding wafer-to-wafer e ottica micro-lente personalizzata. 

Utilizzando una micro-lente Mojo, con un diametro corrispondente al passo pixel posizionato sopra un emettitore uLED molto più piccolo, è possibile fornire fino a 5 volte più flusso luminoso nella pupilla d’ingresso delle tipiche guide d’onda AR rispetto ai display convenzionali.

Mentre la soluzione Mojo Lens è un pioniere, i grandi giganti tecnologici hanno investito risorse e ricerca significative nella costruzione di soluzioni di visualizzazione AR all’avanguardia.

#1. 3M

Una realtà globale che ha svolto un lavoro fenomenale nello sviluppo di soluzioni ottiche avanzate per dispositivi AR/VR è 3M. Le sue soluzioni ottiche supportano visori che offrono immagini immersive di qualità ottimale che convergono senza soluzione di continuità i mondi virtuale e fisico. 

Una delle meraviglie tecnologiche su cui 3M sviluppa la maggior parte delle sue lenti all’avanguardia è il paradigma delle ottiche piegate o ottiche pancake. In questo paradigma, la tecnologia piega il percorso ottico, risultando in immagini nitide con un ampio campo visivo (FOV) e un dispositivo complessivamente più sottile. 

La lente 3M HARP, che ha vinto il premio 2022 Society of Display Component of the Year, ha integrato un polarizzatore riflettente birifrangente per produrre oculari compatti a medio FOV e ottiche a largo FOV per visori montati sulla testa usando ottiche piegate nella configurazione della lente. 

3M ha utilizzato la lente HARP in un prototipo di visore Pegatron per produrre un modulo lente del 50% più sottile rispetto a un visore che utilizza un modulo lente Fresnel, risultando in un visore complessivamente più sottile del 40%. 

La lente ha garantito una minore distanza tra il display e l’occhio dell’utente, il che ha comportato una riduzione complessiva di plastica e peso. 

MTF, o funzione di trasferimento di modulazione, è misurata per valutare la capacità di un sistema di lenti di mantenere il contrasto di un oggetto mentre viene immaginato. La lente 3M HARP ha dimostrato un MTF accettabile per pixel piccoli fino a 9 micron. 3M afferma di lavorare su soluzioni AR per una varietà di applicazioni e settori.

Per l’anno fiscale 2023, il fatturato annuale di 3M è stato di $32,68 miliardi, un notevole aumento rispetto al suo valore del 2022 di $34,23 miliardi. 

#2. Corning

Un altro importante attore globale che afferma di avere ‘competenza senza pari nella scienza del vetro, nella scienza delle ceramiche e nella fisica ottica con profonde capacità di produzione e ingegneria’ ha creato una reputazione nello sviluppo di soluzioni in vetro all’avanguardia per dispositivi di realtà aumentata/mista (AR/MR). 

Corning è stata la prima azienda a offrire wafer di vetro ultra-piatto, ad alto indice di rifrazione per i principali produttori di dispositivi AR/MR. Nello sviluppo delle sue soluzioni, Corning ha sfruttato design basati su guide d’onda. 

Il vantaggio dei design basati su guide d’onda è che facilitano la costruzione di dispositivi AR più eleganti e leggeri. Queste guide d’onda sfruttano vetro ultra-piatto con alto indice di rifrazione per ottimizzare la qualità dell’immagine e fornire un ampio eye box, risultando in un’esperienza utente notevolmente migliorata per quanto riguarda la qualità immersiva. Oltre alle soluzioni, Corning offre anche tecnologie di produzione di dispositivi AR/MR ai clienti interessati alla produzione ad alto volume di dispositivi AR/MR. Corning offre strumenti di metrologia della planarità di classe mondiale da Corning Tropel e macchine di taglio laser del vetro altamente precise e automatizzate da Corning Laser Technologies.

Per l’intero anno 2023, Corning ha registrato vendite GAAP di $12,6 miliardi, in calo dell’11%. 

Il futuro delle soluzioni ottiche pronte per la AR

La realtà aumentata ha il potenziale di migliorare drasticamente il modo in cui percepiamo la visione e la vista. Il mondo delle lenti a contatto intelligenti sta crescendo, e aziende come Samsung, Sony e Google hanno investito risorse cruciali di R&D in questo settore. 

Il coinvolgimento di Samsung nella produzione di lenti a contatto intelligenti è stato discusso fin dal 2016, quando l’azienda ha presentato una domanda di brevetto per lenti a contatto intelligenti. Secondo rapporti speculativi, il brevetto è stato depositato per una tecnologia di lenti a contatto intelligenti che potrebbe proiettare immagini negli occhi dell’utilizzatore. Creato da uno scienziato in Corea del Sud, il deposito era incentrato sull’aspetto della compatibilità AR, dove la lente aveva un piccolo display, una fotocamera e un’antenna. Poteva sovrapporre immagini generate al computer al mondo reale. Secondo quanto riportato, i sensori potevano essere controllati tramite il battito delle palpebre, e l’utilizzatore poteva scattare foto strizzando l’occhio. 

Il successo della AR, in termini di diventare più sensibile e immersiva, dipenderà in larga misura dalle innovazioni che avverranno nel campo delle sue caratteristiche ottiche. 

Il futuro prevederà lenti in cui gli utenti potranno avere comodamente informazioni sovrapposte al loro campo visivo. Il tipo di informazione potrebbe essere qualsiasi, dai dettagli di navigazione alla traduzione di lingue straniere agli aggiornamenti in tempo reale. Un ulteriore beneficio significativo delle lenti a contatto AR sarebbe la loro capacità di offrire una soluzione trasformativa per le persone con problemi di vista. 

Tuttavia, offrire questo servizio nel modo più efficiente possibile richiederebbe alle lenti di migliorare ulteriormente l’identificazione degli oggetti, il riconoscimento dei volti e l’offerta di indicazioni sonore. 

Le lenti AR di nuova generazione emergeranno come vincitrici chiare nello spazio che riguarda la comodità e la portabilità delle soluzioni. Renderanno i visori più leggeri e più comodi da indossare. Un altro aspetto delle lenti di nuova generazione che le farà prosperare è che vanno oltre il miglioramento della visione e incorporano una serie di funzionalità di monitoraggio.

Questi parametri monitorati, che includono biomarcatori, aiuteranno la AR a fiorire nel campo della sanità e della diagnostica. 

Tuttavia, gli sviluppatori devono tenere presente alcuni aspetti vitali quando sviluppano le loro soluzioni. Le lenti dovrebbero affrontare le preoccupazioni sulla privacy in modo proattivo e competente. Devono garantire che le potenziali aree di rischio e di uso improprio delle informazioni vitali siano ridotte al minimo. Solo allora la AR diventerà parte della nostra vita quotidiana. 

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