Augmented Reality Verbeteren met Lenzen van de Volgende Generatie

Een van de grootste online designscholen wereldwijd, Interaction Design Foundation, definieert Augmented reality als ‘een ervaring waarbij ontwerpers delen van de fysieke wereld van gebruikers verbeteren met computergegenereerde input.’ IBM, een van de pionierende bedrijven die ons altijd hebben geïntroduceerd in nieuwe vormen van baanbrekende technologie, ziet en bestudeert AR als de ‘real-time integratie van digitale informatie in de omgeving van een gebruiker.’ 

Deze definities bewijzen dat Augmented Reality niets minder is dan een radicale sprong, die zeer fantasierijke percepties omvat van wat technologie ons zou kunnen bieden en ingewikkeld gebouwde oplossingen om die percepties werkelijkheid te maken. 

Het tot een effectieve en efficiënte propositie maken van augmented reality in de praktijk vereist dat veel factoren goed werken. Het samenkomen van de digitale en fysieke werelden moet foutloos en naadloos zijn. De interacties moeten in real-time plaatsvinden, en de identificatie van virtuele en echte objecten in driedimensionale interfaces moet nauwkeurig zijn. 

In de loop der jaren hebben onderzoekers en innovatieve technologische projectteams onvermoeibaar gewerkt aan het perfectioneren van deze factoren. Nieuw onderzoek heeft veel opwinding gecreëerd in dit gebied. Wetenschappers hebben de dunste lens op de planeet gemaakt, mogelijk gemaakt door excitons, die in toekomstige AR-brillen gebruikt zou kunnen worden. In het volgende segment duiken we dieper in dit onderzoek. 

Exciton-Enabled Lens: De Dunste op Aarde

Een groep onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Stanford University, Californië, hebben een enkele laag wolfraamdisulfide (WS2) gebruikt om een platte lens te ontwikkelen die een halve millimeter breed is maar slechts 0,0000006 millimeter, of 0,6 nanometer, dik. Deze parameters maken de lens de dunste op earth. 

Afgezien van het gebruik van een enorm ongewoon materiaal voor het bouwen van lenzen, is de lens ook een uitzondering in hoe hij werkt. Terwijl normale lenzen vertrouwen op hun gebogen vorm om licht te buigen en te focussen, maakt deze drie-atomen-dikke platte lens gebruik van kwantumeffecten. 

In tegenstelling tot gewone lenzen benutten deze lenzen het fenomeen diffractie in plaats van refractie. Ze bestaan uit concentrische ringen van WS2 met tussenruimtes om het licht via diffractie te focussen. De afstand tussen deze ringen en hun grootte bepalen de brandpuntsafstand van de lens. 

Om scherpstellen efficiënt te maken, zijn deze lenzen afhankelijk van de kwantumeffecten binnen WS2. West Texas A&M University Associate Professor of Physics Christopher S. Baird definieert kwantumeffecten als effecten die niet ‘correct worden voorspeld door de klassieke fysica, maar wel correct worden voorspeld door de kwantumtheorie.’ Klassieke fysica ziet ‘materie’ als iets dat bestaat uit kleine, vaste deeltjes.

“Daarom, elke keer dat we de stukjes materie laten gedragen als golven, demonstreren we een kwantumeffect.”

– Professor Baird

Supergeleiding is bijvoorbeeld een macroscopic kwantumeffect. In dit geval werken de kwantumeffecten om het materiaal in staat te stellen licht efficiënt te absorberen en opnieuw uit te stralen bij specifieke golflengten. Als gevolg hiervan heeft de lens een ingebouwde eigenschap die helpt beter te functioneren voor deze golflengten. 

Als we proberen de rol van kwantumeffecten beter te begrijpen, werkt het als een verbetering waarbij WS2 licht absorbeert door een elektron naar een hoger energieniveau te sturen. De afwezigheid van het negatief geladen elektron laat een positief geladen ‘hole’ achter in het atomaire rooster. Dit ‘hole’ blijft samen met het elektron door een aantrekkende elektrostatische kracht tussen hen. Deze vorming van het elektron, het ‘hole’ in het rooster, en de kracht die tussen hen werkt, staat bekend als een ‘exciton’. Bij specifieke golflengten van licht die door de excitons worden uitgezonden, bereiken deze lenzen een duidelijk piek in hun efficiëntie. 

Jorik van de Groep, een van de auteurs van het artikel, heeft goed uitgelegd waarom deze lenzen AR kunnen helpen verder te komen. Zoals Jorik uitlegt:

“De lens kan worden gebruikt in toepassingen waarbij het zicht door de lens niet verstoord mag worden, maar een klein deel van het licht kan worden afgetapt om informatie te verzamelen. Dit maakt het perfect voor draagbare brillen, zoals voor augmented reality.”

De onderzoekers proberen de oplossing te upgraden en efficiënter te maken door meer complexe en multifunctionele optische coatings uit te proberen. In deze oplossingen kunnen de functies elektrisch worden aangepast. Een van de voordelen van werken met excitons is dat, omdat ze zeer gevoelig zijn voor de ladingsdichtheid van een materiaal (de maat voor de ophoping van elektrische lading in een bepaald veld), het toepassen van een spanning helpt de brekingsindex van het materiaal te veranderen.

Al met al zou het experiment en de resultaten een baanbrekende impact kunnen hebben op AR en het gebruik van lenzen in AR-apparaten. Vanaf het begin experimenteren wetenschappers met de kwaliteit van AR-lenzen, aangezien ze cruciale interactieve hulpmiddelen zijn voor gebruikers om te interageren met ruimtes die verder gaan dan de realiteit. Een paar jaar geleden resulteerde een vergelijkbaar baanbrekend experiment in een praktijktest voor de eerste AR-gebaseerde slimme contactlens.

Klik hier voor een lijst van pioniersbedrijven die de AR/VR-frontier herdefiniëren.

De Eerste Ooit AR-gebaseerde Slimme Contactlens

In 2022 kondigde Mojo Vision, een bedrijf dat beweert een pionier te zijn in het leiden van de toekomst van Micro-LED-technologie, de lancering van Mojo Lens aan, de eerste Augmented Reality contactlens ter wereld. Het was een upgrade van het volledig zelfvoorzienende Mojo Lens prototype dat oorspronkelijk in 2020 werd gelanceerd. 

Het prototype kwam met een MicroLED-display van 14.000 pixels per inch met een diameter van > 0.5 mm en een pixelpitch van 1.8 micron. Destijds werd het beschouwd als het kleinste, meest dichte display ter wereld voor dynamische content. Bovendien had het een op maat geconfigureerde versnellingsmeter, gyroscoop en magnetometer om continue oogbewegingsvolging mogelijk te maken. De lens vereiste echter dat de gebruiker ARM-processors om de nek droeg, die een draadloze doorvoer van informatie naar de lens en terug naar computers die oogbewegingen volgden, mogelijk maakten.

Tussen 2022 en 2024 bleef Mojo Lens zijn technologie en producten innoveren om dynamische displays te bieden die 28.000 pixels per inch bereikten. De kerntechnologie omvat nu efficiënte blauwe micro-LED-apparaten op sub-µm schaal en hoogrendement quantum dot-inkt, terwijl het displaysysteem rust op de pijlers van een geoptimaliseerd CMOS-backplane, wafer-to-wafer bonding, en aangepaste micro-lensoptiek. 

Door een Mojo micro-lens te gebruiken, met een diameter die overeenkomt met de pixelpitch en geplaatst boven een veel kleinere uLED-emitter, is het mogelijk om tot 5 keer meer lichtflux in de ingangspupil van typische AR-golfgeleiders te leveren vergeleken met conventionele displays.

Hoewel de Mojo Lens-oplossing een trendsetter is, hebben grote techgiganten aanzienlijke onderzoeks- en middelen geïnvesteerd in het bouwen van high-end, geavanceerde AR-weergaveoplossingen.

#1. 3M

Een wereldwijde entiteit die fenomenaal werk heeft verricht bij het ontwikkelen van geavanceerde optische oplossingen voor AR/VR-apparaten is 3M. Zijn optische oplossingen ondersteunen headsets die meeslepende beelden van optimale kwaliteit bieden en naadloos virtuele en fysieke werelden samenvoegen. 

Een van de technologische wonderen waarop 3M het merendeel van zijn geavanceerde lenzen ontwikkelt, is het paradigma van gevouwen optiek of pancake-optiek. In dit paradigma vouwt de technologie het optische pad, wat resulteert in scherpe beelden met een breed gezichtsveld (FOV) en een dunner algeheel apparaat. 

De 3M HARP-lens, die de Society of Display Component of the Year 2022 won, integreerde een bivrijectieve reflectieve polarizer om compacte, middel-FOV oculairs en breed-FOV optiek te produceren voor head-mounted displays die gevouwen optiek in de lensconfiguratie gebruiken. 

3M gebruikte de HARP-lens in een Pegatron prototype headset om een 50% dunnere lensmodule te produceren vergeleken met een headset die een Fresnel lensmodule gebruikt, wat resulteerde in een 40% dunnere algehele headset. 

De lens zorgde voor een kleinere afstand tussen het display en het oog van de gebruiker, wat resulteerde in minder plastic en gewicht. 

MTF, of modulatieoverdrachtsfunctie, wordt gemeten om het vermogen van een lenssysteem te beoordelen om het contrast van een object te behouden tijdens beeldvorming. De 3M HARP-lens toonde een acceptabele MTF voor pixels zo klein als 9 micron. 3M beweert te werken aan AR-oplossingen voor diverse toepassingen en industrieën.

Voor het fiscale jaar 2023, bedroeg de jaarlijkse omzet van 3M $32,68 miljard, een opmerkelijke stijging ten opzichte van het cijfer van 2022 van $34,23 miljard. 

#2. Corning

Een andere toonaangevende wereldspeler die beweert ‘ongeëvenaarde expertise te hebben in glaswetenschap, keramiekwetenschap en optische fysica met diepe productie- en engineeringcapaciteiten’ heeft zich een naam gemaakt in het ontwikkelen van geavanceerde glasgebaseerde oplossingen voor augmented/mixed (AR/MR) reality-apparaten.

Corning was the first company to offer ultra-flat, highly refractive index glass wafers for leading AR/MR device makers. In developing its solutions, Corning leveraged waveguide-based designs. 

Het voordeel van waveguide-gebaseerde ontwerpen is dat ze het bouwen van AR-apparaten vergemakkelijken die slanker en lichter zijn. Deze waveguides benutten ultra-platte glas met een hoge refractieve index om de beeldkwaliteit te optimaliseren en een grote eye box te bieden, wat resulteert in een sterk verbeterde gebruikerservaring wat betreft de meeslepende kwaliteit. Naast de oplossingen biedt Corning ook AR/MR-apparaatproductietechnologieën aan klanten die geïnteresseerd zijn in grootschalige productie van AR/MR-apparaten. Corning biedt best-in-class vlakheidsmetrologie-instrumenten van Corning Tropel en zeer precieze, geautomatiseerde laser-glas-snijmachines van Corning Laser Technologies.

Voor het volledige jaar 2023, registreerde Corning GAAP-verkopen van $12,6 miljard, een daling van 11%. 

De Toekomst van AR-Klare Optische Oplossingen

Augmented reality heeft het potentieel om de manier waarop we visie en zien drastisch te verbeteren. De wereld van slimme contactlenzen groeit, en bedrijven zoals Samsung, Sony en Google hebben er cruciale R&D-middelen in geïnvesteerd. 

Samsung’s betrokkenheid bij het vervaardigen van slimme contactlenzen is sinds 2016 besproken, toen het bedrijf een patent aanvroeg voor slimme contactlenzen. Volgens speculatieve rapporten werd het patent aangevraagd voor een slimme contactlenstechnologie die beelden in de ogen van de drager kan projecteren. Gecreëerd door een wetenschapper in Zuid-Korea, richtte de aanvraag zich op AR-compatibiliteit, waarbij de lens een klein display, camera en antenne had. Het kon computergegenereerde beelden over de echte wereld superponeren. Naar verluidt konden de sensoren worden bediend door te knipperen, en kon de drager foto’s maken door te knipogen. 

Het succes van AR, in termen van het steeds gevoeliger en meeslepender worden, zou grotendeels afhangen van de innovaties die plaatsvinden op het gebied van zijn optische kenmerken. 

De toekomst zou lenzen omvatten waarbij gebruikers comfortabel informatie over hun gezichtsveld kunnen laten overlappen. Het type informatie kan van alles zijn, van navigatiedetails tot vertaalde vreemde talen tot realtime-updates. Een ander belangrijk voordeel van AR-contactlenzen zou hun vermogen zijn om een transformerende oplossing te bieden voor visueel beperkte personen. 

Het aanbieden van deze dienst op de meest efficiënte manier zou echter vereisen dat de lenzen beter worden in het identificeren van objecten, herkennen van gezichten en het bieden van hoorbare aanwijzingen. 

AR-contactlenzen van de volgende generatie zouden duidelijk als winnaar naar voren komen in het domein van gemak en draagbaarheid van oplossingen. Ze zullen headsets lichter en comfortabeler maken om te dragen. Een ander aspect van de lenzen van de volgende generatie dat hen zal laten floreren, is dat ze verder gaan dan visuele verbetering en een reeks monitoringsfuncties integreren.

Deze gemonitorde parameters, waaronder biomerkers, zouden AR laten floreren op het gebied van gezondheidszorg en diagnostiek. 

Ontwikkelaars moeten echter rekening houden met een aantal cruciale aspecten bij het ontwikkelen van hun oplossingen. De lenzen moeten privacyzorgen proactief en bekwaam aanpakken. Ze moeten ervoor zorgen dat potentiële risico’s en misbruik van vitale informatie tot een minimum worden beperkt. Alleen dan zal AR een onderdeel van ons dagelijks leven worden. 

Klik hier voor een lijst van top AR & VR-aandelen om te overwegen.