Американская компания Magic Leap, один из пионеров в области смешанной реальности, запатентовала систему дополненной реальности, в которой вместо сложной оптики с волноводами и дифракционными решетками используется обычный прозрачный OLED-дисплей. Он располагается прямо перед глазом, как линза в очках, и сам излучает свет, формируя картинку. При этом пользователь видит и виртуальные объекты, и реальный мир через прозрачный экран.
Прозрачный экран вместо сложной оптики
В центре системы — прозрачный эмиссионный дисплей. В патенте указано, что это может быть OLED-дисплей (органические светодиоды), а также QLED (квантовые точки) или другие типы излучающих экранов. Главное свойство — он одновременно излучает свет для формирования виртуальной картинки и пропускает свет от реальных объектов. Площадь излучающей прозрачной области может составлять не менее 50% или даже 75% от поверхности окуляра.
Такой экран располагается прямо в оптической оси глаза. Это значит, что лучи от виртуальных объектов и от реального мира идут по одному пути — глаз видит их одновременно и без дополнительных оптических ухищрений. Но у такого подхода есть проблема: свет от экрана расходится во все стороны, как от обычного монитора. Чтобы глаз мог сфокусироваться на виртуальной картинке, ее нужно «отодвинуть» вдаль, иначе изображение будет слишком близко и нерезко.
Для решения этой проблемы в систему добавляют линзы или массивы микролинз. Со стороны глаза размещается линза или массив микролинз с положительной оптической силой. Они располагаются на фокусном расстоянии от экрана и превращают расходящийся свет от каждого пикселя в параллельные пучки — как если бы изображение находилось где-то далеко (например, на условной «бесконечности»).
Со стороны окружающего мира может размещаться еще одна линза или массив микролинз — с отрицательной оптической силой. Ее задача — компенсировать искажения, которые ближняя линза вносит в изображение реального мира. Если этого не сделать, пользователь будет видеть окружающую обстановку в «кривое» стекло.
Вместе ближняя и дальняя линзы образуют афокальную систему — без увеличения, но с сохранением нужного хода лучей. Кроме того, в патенте описаны разные варианты:
- можно использовать одну большую линзу с каждой стороны,
- можно — массив микролинз (например, для создания «светового поля», когда разные части экрана формируют картинку под разными углами).
Также, по данным Magic Leap, можно применять дифракционные волновые пластинки на жидких кристаллах, которые по-разному работают с разными поляризациями света.
Переменный фокус: картинка на разной глубине
Одна линза с фиксированной оптической силой позволяет отображать виртуальные объекты только на одном расстоянии (например, в бесконечности). Но в хорошей AR-системе нужна возможность показывать объекты на разной глубине — от нескольких метров до 30 см перед глазами. Иначе мозг будет путаться, ведь аккомодация (фокусировка хрусталика) не будет совпадать с вергенцией (сведением глаз), и у пользователя возникнет дискомфорт.
Для этого в системе используются переменные фокусные элементы. Это, как правило, жидкокристаллические линзы, у которых оптическая сила меняется при подаче напряжения. Они могут переключаться между состояниями, например, в одном состоянии линза коллимирует свет (изображение в бесконечности), в другом — придает ему сходимость (изображение в 30 см). На дальней стороне устанавливается компенсирующий переменный элемент, который синхронно меняет свою оптическую силу, чтобы реальный мир не искажался.
В более продвинутой конфигурации используется каскад из нескольких таких переключаемых линз, которые позволяют получать дискретные значения оптической силы (например, соответствие глубине 1, 2, 3, 4 и 5 метров). В патенте упоминается до шести различных фокусных расстояний.
Затворы, чтобы виртуальный объект перекрывал реальный
Еще одна проблема AR — сделать так, чтобы яркий виртуальный объект выглядел непрозрачным и перекрывал собой реальный фон. Если просто нарисовать красную кнопку поверх стены, она будет выглядеть полупрозрачной, так как OLED-экран добавляет свет, но не блокирует свет от стены.
Для этого в системе используются окклюдеры — пространственные модуляторы света на жидких кристаллах. Они располагаются между экраном и глазом и состоят из множества пикселей, которые могут становиться прозрачными или непрозрачными по команде электроники.
В патенте описана конфигурация с двумя последовательными окклюдерами — они работают как «шторки», пропуская свет только от тех пикселей экрана, которые сейчас должны быть видны, и блокируя свет от окружающего мира в тех же направлениях. Это создает эффект полностью непрозрачного виртуального объекта
В некоторых конфигурациях используется еще один окклюдер с дальней стороны (между экраном и миром) — он может выборочно затемнять отдельные участки реальной сцены, делая виртуальный объект более контрастным.
Система управления и датчики
Отдельно ученые описали вариант, где прозрачный дисплей излучает свет не в сторону глаза, а в сторону мира. В этом случае за дисплеем (со стороны мира) размещается отражающая волновая пластинка, например, на основе холестерических жидких кристаллов (CLC). Свет от дисплея идет к этой пластинке, отражается от нее (приобретая нужную оптическую силу) и возвращается обратно — проходит через прозрачный дисплей и попадает в глаз.
По пути свет дважды проходит через четвертьволновую пластинку, что поворачивает его поляризацию. Такая схема позволяет коллимировать свет или придавать ему нужную сходимость без дополнительных линз между глазом и дисплеем.
Вся эта оптика управляется электроникой. Система включает в себя датчики (например, камеры, которые отслеживают положение зрачка и направление взгляда), процессоры и алгоритмы машинного зрения. На основе данных с датчиков система рассчитывает, на каком расстоянии сейчас смотрит пользователь, и подстраивает оптическую силу переменных линз, чтобы виртуальные объекты были в фокусе. Кроме того, система может подстраиваться под рефракционные аномалии зрения пользователя (близорукость, дальнозоркость), выполняя функцию электронных очков с автоматической регулировкой.
Таким образом, Magic Leap предлагает альтернативу традиционной волноводной оптике — простую, потенциально более дешевую и масштабируемую. Вместо того чтобы «запихивать» свет в узкие волноводы и «вытаскивать» его через сложные решетки, инженеры компании хотят поставить прозрачный OLED-экран прямо перед глазом и «долинзить» его с помощью современных материалов и систем управления светом.