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 excitonen, die in toekomstige AR-brillen gebruikt zou kunnen worden. In het volgende segment duiken we dieper in dit onderzoek. 

Een ultradunne lens die excitonen benut

Een groep onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Stanford University gebruikte één laag wolfraamdisulfide (WS₂) voor een platte lens van een halve millimeter breed en slechts 0,6 nanometer dik. De onderzoekers beschreven deze als de dunste lens op aarde. 

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 macroscopisch kwantumeffect. Bij de WS₂-lens gaat het om excitonen, die het materiaal in staat 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. 

Een exciton is een gebonden paar van een aangeslagen elektron en het positief geladen gat dat het achterlaat. In ultradun WS₂ beïnvloeden deze excitonen de absorptie en verstrooiing van licht. Rond de excitonresonantie neemt de efficiëntie van de lens toe. 

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 excitonen 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 daarvan 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.

Een prototype van een slimme AR-contactlens

Mojo Vision demonstreerde in 2022 een werkend prototype van Mojo Lens, een contactlens met een augmentedrealitydisplay. Dit was een onderzoeksprototype en geen commercieel verkrijgbare contactlens. 

Het prototype gebruikte een MicroLED-display van ongeveer 0,5 mm doorsnede, met 14.000 pixels per inch en een pixelafstand van 1,8 micrometer. Sensoren volgden oogbewegingen. Voor de demonstratie was ook externe elektronica nodig voor de draadloze verbinding en verwerking.

In januari 2023 besloot Mojo Vision de ontwikkeling van de contactlens te vertragen en zijn middelen op MicroLED-technologie te richten. Latere ontwikkelingen met hogere pixeldichtheden horen bij die displaytechnologie en mogen niet als nieuwe versies van de contactlens worden beschreven. De onderliggende displaytechnologie omvat 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.

Ook andere bedrijven ontwikkelen optische onderdelen en displays voor AR- en VR-apparaten.

#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 in 2022 een onderscheiding van de Society for Information Display kreeg, gebruikt een dubbelbrekende reflecterende polarisator voor compacte gevouwen optiek in headsets. 

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 omzet van 3M 32,68 miljard dollar, een daling ten opzichte van de 34,23 miljard dollar in 2022. 

#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 het eerste bedrijf dat ultravlakke glazen wafers met een hoge brekingsindex aanbood aan toonaangevende fabrikanten van AR/MR-apparaten. Bij de ontwikkeling van zijn oplossingen maakte Corning gebruik van ontwerpen op basis van golfgeleiders.

Golfgeleiders helpen AR-brillen dunner en lichter te maken. Ultravlak glas met een hoge brekingsindex ondersteunt een goede beeldkwaliteit en een ruime eyebox: het gebied waarin het oog het volledige beeld kan zien. Corning levert daarnaast meetinstrumenten voor vlakheid en systemen voor nauwkeurig lasersnijden van glas.

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. 

Verbeterde optische onderdelen kunnen toekomstige AR-brillen dunner en comfortabeler maken. Slimme contactlenzen vormen een afzonderlijke ontwikkelingsrichting. Eventuele biomonitoring hangt af van aanvullende sensoren en klinische validatie; die volgt niet vanzelf uit de AR-optiek.

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.