Förbättra förstärkt verklighet med nästa generations linser

En av de största online designskolorna globalt, Interaction Design Foundation, definierar Augmented reality som ‘en upplevelse där designers förbättrar delar av användarnas fysiska värld med datorgenererad input.’ IBM, ett av de banbrytande företagen som alltid har introducerat oss till nya former av banbrytande teknik, ser och studerar AR som den ‘realtidsintegration av digital information i en användares miljö.’ 

Dessa definitioner visar att Augmented Reality är inget mindre än ett radikalt språng, vilket innebär mycket fantasifulla uppfattningar om vad teknik kan erbjuda oss och intrikat byggda lösningar för att göra dessa uppfattningar till verklighet. 

Att göra förstärkt verklighet till ett effektivt och ändamålsenligt förslag i praktiken kräver att många faktorer fungerar väl. Sammanflätningen av den digitala och fysiska världen måste vara felfri och sömlös. Interaktionerna måste ske i realtid, och identifieringen av virtuella och verkliga objekt i tredimensionella gränssnitt måste vara exakt. 

Under årens lopp har forskare och innovativa teknikprojektteam outtröttligt arbetat för att förfina dessa faktorer. Ny forskning har skapat stor spänning inom detta område. Forskare har skapat den tunnaste linsen på planeten, möjliggjord av excitoner, som kan användas i framtida AR-glasögon. I följande avsnitt fördjupar vi oss i denna forskning. 

Exciton-aktiverad lins: den tunnaste på jorden

En grupp forskare från University of Amsterdam och Stanford University, Kalifornien, har utnyttjat ett enda lager av tungstendisulfid (WS2) för att utveckla en platt lins som är en halv millimeter bred men bara 0,0000006 millimeter, eller 0,6 nanometer, tjock. Dessa parametrar gör linsen till den tunnaste på jorden. 

Förutom att använda ett oerhört ovanligt material för att bygga linser, är linsen också ett undantag i hur den fungerar. Medan vanliga linser förlitar sig på sin böjda form för att böja och fokusera ljus, utnyttjar denna tre-atoms-tjocka platta lins kvanteffekter. 

Till skillnad från vanliga linser utnyttjar dessa linser diffraktionsfenomenet snarare än brytning. De består av koncentriska ringar av WS2 med mellanrum för att fokusera ljuset genom diffraktion. Avståndet mellan dessa ringar och deras storlek bestämmer linsens brännvidd. 

För att göra fokuseringen effektiv beror dessa linser på kvanteffekterna inom WS2. West Texas A&M University Associate Professor of Physics Christopher S. Baird definierar kvanteffekter som effekter som inte ‘korrekt förutsägs av klassisk fysik, men korrekt förutsägs av kvantteorin.’ Klassisk fysik ser ‘materia’ som något som består av små, solida partiklar.

“Därför, varje gång vi får materiens delar att agera som vågor, demonstrerar vi en kvanteffekt.”

– Professor Baird

Supraledning, till exempel, är en makroskopisk kvanteffekt. I detta fall arbetar kvanteffekterna för att möjliggöra att materialet effektivt absorberar och återutstrålar ljus vid specifika våglängder. Som resultat har linsen en inbyggd förmåga som hjälper den att fungera bättre för dessa våglängder. 

Om vi försöker förstå kvanteffekternas roll bättre fungerar det som en förbättring där WS2 absorberar ljus genom att skicka en elektron till en högre energinivå. Avsaknaden av den negativt laddade elektronen lämnar ett positivt laddat hål i det atomära gitteret. Detta hål hålls ihop med elektronen genom en attraktiv elektrostatisk kraft som verkar mellan dem. Denna bildning av elektronen, hålet i gitteret och kraften som verkar mellan dem kallas ett ‘exciton’. Vid specifika våglängder av ljus som sänds ut av excitonerna uppnår dessa linser ett tydligt toppresultat i sin effektivitet. 

Jorik van de Groep, en av papperets författare, har förklarat väl varför dessa linser kan hjälpa AR att göra ytterligare framsteg. Som Jorik förklarar:

“Linsen kan användas i applikationer där utsikten genom linsen inte får störas, men en liten del av ljuset kan avläsas för att samla information. Detta gör den perfekt för bärbara glasögon, såsom för förstärkt verklighet.”

Forskarnas försöker uppgradera lösningen och göra den mer effektiv genom att testa mer komplexa och multifunktionella optiska beläggningar. I dessa lösningar kan funktionerna justeras elektriskt. En av fördelarna med att arbeta med excitoner är att, eftersom de är mycket känsliga för ett materials laddningstäthet (måttet på ackumuleringen av elektrisk laddning i ett givet fält), hjälper applicering av spänning till att förändra materialets brytningsindex.

Sammanlagt kan experimentet och dess resultat ha en banbrytande inverkan på AR och dess användning av linser i AR-enheter. Från allra början har forskare experimenterat med kvaliteten på AR-linser, eftersom de är avgörande interaktiva verktyg för användare att interagera med utrymmen som går bortom verkligheten. För ett par år sedan resulterade ett liknande banbrytande experiment i fälttester för den första AR-baserade smarta kontaktlinsen.

Klicka här för en lista över banbrytande företag som omdefinierar AR/VR-fronten.

Den första AR-baserade smarta kontaktlinsen någonsin

År 2022 meddelade Mojo Vision, ett företag som påstår sig vara en pionjär i att leda framtiden för Micro-LED-teknik, lanseringen av Mojo Lens, världens första Augmented Reality-kontaktlins. Det var en uppgradering av företagets helt självständiga Mojo Lens-prototyp som ursprungligen lanserades 2020. 

Prototypen hade en MicroLED-display med 14 000 pixlar per tum, mätt > 0,5 mm i diameter med ett pixelavstånd på 1,8 mikron. Vid den tiden räknades den som världens minsta, mest täta display för dynamiskt innehåll. Dessutom hade den en specialkonfigurerad accelerometer, gyroskop och magnetometer för att underlätta kontinuerlig spårning av ögonrörelser. Dock krävde linsen att användaren bar ARM-processorer runt halsen, vilket kunde möjliggöra en trådlös överföring av information till linsen och tillbaka till datorer som spårade ögonrörelser.

Mellan 2022 och 2024 fortsatte Mojo Lens att innovera sin teknik och sina produkter för att erbjuda dynamiska displayer som nådde 28 000 pixlar per tum. kärntekniken involverar nu effektiva blåa micro-LED-enheter på sub-µm-skala och högpresterande kvantprickbläck, medan displaysystemet vilar på pelarna av en optimerad CMOS-bakplan, wafer-till-wafer-bondning och skräddarsydd mikro-linsoptik. 

Genom att använda en Mojo-mikrolins, med en diameter som matchar pixelavståndet placerad ovanpå en mycket mindre uLED-emitter, är det möjligt att leverera upp till 5 gånger mer ljusflöde in i ingångspupillen för typiska AR-vågledare jämfört med konventionella displayer.

Medan Mojo Lens-lösningen är en trendsetter har stora teknikjättar investerat betydande forskning och resurser i att bygga högkvalitativa, banbrytande AR-visningslösningar.

#1. 3M

En global aktör som har gjort fenomenalt arbete med att utveckla avancerade optiska lösningar för AR/VR-enheter är 3M. Dess optiska lösningar stödjer headset som erbjuder uppslukande visuella upplevelser av optimal kvalitet som sömlöst förenar virtuella och fysiska världar. 

En av de teknologiska underverken som 3M utvecklar de flesta av sina banbrytande linser på är paradigmet med vikta optik eller pannkaksoptik. I detta paradigm viker tekniken den optiska vägen, vilket resulterar i skarpa bilder med ett brett synfält (FOV) och en tunnare enhet totalt. 

3M HARP-linsen, som vann 2022 års Society of Display Component of the Year, integrerade en birefringent reflekterande polariserare för att producera kompakta, medelfält-ögonstycken och breda FOV-optik för huvudmonterade displayar som använder vikta optik i linskonfigurationen. 

3M använde HARP-linsen i ett Pegatron-prototypheadset för att producera en 50 % tunnare linsmodul jämfört med ett headset som använder en Fresnel-linsmodul, vilket resulterade i ett 40 % tunnare totalt headset. 

Linsen säkerställde ett kortare avstånd mellan displayen och användarens öga, vilket resulterade i mindre plast och vikt totalt. 

MTF, eller modulation transfer function, mäts för att bedöma ett linsystems förmåga att behålla kontrasten hos ett objekt när det avbildas. 3M HARP-linsen visade acceptabel MTF för pixlar så små som 9 mikron. 3M påstår att de arbetar med AR-lösningar för en mängd olika tillämpningar och industrier.

För räkenskapsåret 2023, 3M:s årliga intäkt var 32,68 miljarder dollar, en märkbar ökning från 2022 års siffra på 34,23 miljarder dollar. 

#2. Corning

En annan ledande global aktör som påstår sig ha ‘ojämförlig expertis inom glasteknik, keramiktvetenskap och optisk fysik med djup tillverknings- och ingenjörskapacitet’ har gjort sig ett namn genom att utveckla banbrytande glasbaserade lösningar för förstärkt/blandad (AR/MR) verklighetsenheter.

Corning var det första företaget att erbjuda ultratunna, högrefraktiva glasplattor för ledande AR/MR-enhetstillverkare. Vid utvecklingen av sina lösningar utnyttjade Corning vågledningsbaserade designer. 

Fördelen med vågledningsbaserade designer är att de underlättar byggandet av AR-enheter som är slankare och lättare. Dessa vågledare utnyttjar ultratunt glas med hög refraktionsindex för att optimera bildkvaliteten och erbjuda en stor eye box, vilket resulterar i en kraftigt förbättrad användarupplevelse när det gäller den uppslukande kvaliteten. Förutom lösningarna erbjuder Corning också AR/MR-enhetstillverkningstekniker till kunder som är intresserade av högvolymtillverkning av AR/MR-enheter. Corning erbjuder förstklassiga planhetsmetrologi-instrument från Corning Tropel och mycket precisa, automatiserade laserglas-skärmaskiner från Corning Laser Technologies.

För hela år 2023, Corning registrerade GAAP-försäljning på 12,6 miljarder dollar, en nedgång på 11 %. 

Framtiden för AR-klara optiska lösningar

Förstärkt verklighet har potentialen att radikalt förbättra hur vi uppfattar syn och seende. Världen av smarta kontaktlinser växer, och företag som Samsung, Sony och Google har investerat viktiga FoU-resurser i den. 

Samsungs engagemang i tillverkning av smarta kontaktlinser har diskuterats sedan 2016, när företaget ansökte om ett patent på smarta kontaktlinser. Enligt spekulativa rapporter lämnades patentet in för en smart kontaktlinseteknik som kunde projicera bilder i bärarens ögon. Skapat av en forskare i Sydkorea, ansökan var inriktad kring AR-kompatibilitet, där linsen hade en liten display, kamera och antenn. Den kunde överlagra datorgenererade bilder över den verkliga världen. Enligt uppgift kunde sensorerna styras genom blinkning, och bäraren kunde ta fotografier genom att blinkande med ett ögon. 

Framgången för AR, i termer av att bli mer känslig och uppslukande, skulle till stor del bero på de innovationer som sker inom dess optiska egenskaper. 

Framtiden skulle innebära linser där användare bekvämt kan ha information överlagrad på deras synfält. Typen av information kan vara vad som helst, från navigationsdetaljer till översatta främmande språk till realtidsuppdateringar. En annan betydande fördel med AR-kontaktlinser skulle vara deras förmåga att erbjuda en transformerande lösning för synskadade individer. 

Att erbjuda denna tjänst på det mest effektiva sättet skulle dock kräva att linserna förbättras ytterligare när det gäller att identifiera objekt, känna igen ansikten och erbjuda hörbara signaler. 

Nästa generations AR-kontaktlinser skulle framträda som en klar vinnare inom området som hanterar bekvämlighet och bärbarhet av lösningar. De kommer att göra headset lättare och bekvämare att bära. En annan aspekt av nästa generations linser som kommer att göra dem framgångsrika är att de går bortom synförbättring och integrerar en rad övervakningsfunktioner.

Dessa övervakade parametrar, som inkluderar biomarkörer, skulle hjälpa AR att blomstra inom hälso- och diagnostikområdet. 

Utvecklare måste dock vara medvetna om några viktiga aspekter när de utvecklar sina lösningar. Linserna bör proaktivt och kompetent hantera integritetsfrågor. De måste säkerställa att potentiella riskområden och missbruk av viktig information minimeras. Endast då kommer AR att bli en del av vårt dagliga liv. 

Klicka här för en lista över de bästa AR- och VR-aktierna att överväga.