ottica
display olografico
A cura di Rossotto Marco
Tempo di lettura: 4 min
Nel numero di questo mese proponiamo lo schema ottico di un display Maxwelliano (vicino all'occhio, ovvero a distanza apice corneale simile alla distanza cornea-lente oftalmica) usando un elemento ottico olografico. La configurazione Maxwelliana rimuove il segnale focale visualizzando completamente l'immagine virtuale, presentando un'immagine nitida all'osservatore indipendentemente dalla lunghezza focale dell'occhio. L’esperimento ottico presentato nell’articolo di riferimento conferma che la visualizzazione proposta può presentare immagini focalizzate nell’ambiente reale con Campo visivo di 9,2° (Orizzontale) x 5,20° (Verticale).
Display Near-to-eye (NED, vicino all’occhio), o anche chiamati ‘Display montati sulla testa’ (HMD), sono i principali dispositivi per la realtà aumentata (AR) e realtà virtuale (VR). Un problema dei NED attualmente disponibili sul mercato è il conflitto di ‘accomodamento’ della vergenza (VCA). Nella consueta configurazione NED, ogni occhio dell'utente vede l'immagine virtuale del pannello del micro display e quindi l’accomodazione del soggetto risponde alla domanda relativa alla distanza dell'immagine virtuale che è fissata dall'ottica NED. Al contrario, l’accomodazione e la ‘converging distance’ degli assi ottici dei due occhi genera una disparità tra le immagini di sinistra e di destra, e quindi varia in base ai contenuti presentati.
Quindi, l'accomodazione e ‘converging distance’ non coincidono con la normale configurazione NED, che viene chiamata VAC. Inoltre alla mancata corrispondenza tra gli input sensoriali vestibolari e visivi, si ritiene che anche il VAC sia una delle principali cause dell'affaticamento nell'esperienza NED.
Il display Maxwelliano o display a scansione della retina, è un altro approccio per alleviare il VAC. Invece di presentare le immagini 3D con reale segnale focale, il display Maxwellian presenta immagini sempre a fuoco indipendentemente dalla lunghezza focale dell'occhio. Scansione del raggio modulato attraverso un singolo punto nella pupilla dell'occhio come mostrato in Fig 1.
Fig.1
Poiché l'effettiva pupilla dell'occhio diventa un foro stenopeico, la profondità di messa a fuoco dell'immagine è molto ingrandita, mostrando un'immagine nitida ovunque l'occhio mette a fuoco. Uno dei vantaggi della visualizzazione Maxwelliana rispetto alle tecniche di visualizzazione 3D con segnale focale reale è che non richiede alcuno speciale calcolo per la preparazione del contenuto dell'immagine. Le immagini reali vengono visualizzate sul pannello di visualizzazione senza alcuna modulazione. La risoluzione dell'immagine è un altro vantaggio sebbene dipenda dalla profondità di messa a fuoco desiderata, come verrà discusso in seguito, l'immagine visualizzata di solito ha una risoluzione maggiore rispetto ai display.
La configurazione mostrata in Figura 1 presenta tuttavia degli inconvenienti.
Posizionando uno specchio concavo davanti all'occhio la capacità di trasparenza ottica, che è cruciale nelle applicazioni AR, non viene rispettata.
Ancora più importante, l’apertura oculare è limitata alla dimensione della pupilla, che è troppo restrittiva.
La Figura 2 mostra il diagramma concettuale del NED Maxwelliano proposto quando il singolo specchio concavo è collocato nell'HOE (Elemento Ottico Olografico). La configurazione proposta consiste nell'illuminazione laser collimata, un SLM con immagini sempre a fuoco, ottica di filtraggio a quattro f, una guida d'onda con lato di ingresso inclinato e un HOE (Elemento Ottico Olografico) che funge da specchio concavo.
Fig.2
La configurazione di base in Figura 2 con la HOE con un singolo specchio concavo ha una limitazione dell'oculare, come il display maxwelliano convenzionale. Nel metodo proposto nell’articolo, questa limitazione viene contenuta inserendo più specchi concavi con punti focali spostati lateralmente nel piano della pupilla dell'occhio, come mostrato in Figura 3. La spaziatura laterale delle macchie focali multiplex nel metodo proposto viene scelta per essere leggermente maggiore rispetto alla larghezza della pupilla. Pertanto, solo un singolo punto focale entra nella pupilla ovunque l’occhio si trovi. All'interno dell'intervallo di copertura dei punti focali che presentano immagini sempre a fuoco senza presentare problemi di diplopia.
Fig.3
Per la realizzazione dell’HOE è stato utilizzato lo schema presentato nella Figura 4. Per tutte le caratteristiche relative alla realizzazione del sistema e dei materiali utilizzati si rimanda all’articolo originale (Fonte a fondo pagina).
Fig.4
La Figura 5 mostra i punti focali generati dall'HOE implementato. L'immagine che comprende la Fig. 5 è stata presa individuando un foglio diffondente nel piano della pupilla dell'occhio del setup sperimentale. Possiamo vedere più punti con la separazione orizzontale desiderata. Si ritiene che ulteriori punti deboli e rumori osservati in Fig. 5 provengano da riflessioni multiple dei fasci di registrazione all'interno della guida d'onda e dalla proprietà dell'ologramma non ideale del fotopolimero. Sarebbe necessaria una configurazione di registrazione più sofisticata per ridurre questi rumori.
La Figura 6 mostra l'immagine osservata quando la telecamera si trova in diverse posizioni spot.
Fig.5
Fig.6
La profondità di messa a fuoco dell'immagine visualizzata è ampia nella configurazione proposta, ma non è infinita. Si noti inoltre che questa profondità di messa a fuoco finita non è una limitazione della configurazione proposta ma una comune limitazione dei display Maxwelliani.
In conclusione, è stata proposta una configurazione NED Maxwelliana ottica trasparente con un oculare esteso. Il metodo proposto utilizza l'HOE trasparente invece dello specchio concavo per offrire ottiche trasparenti. L'uso del HOE consente inoltre il multiplexing di più specchi concavi con punti focali spostati in modo tale che il bulbo oculare possa essere ‘spostato’ senza problemi di doppia immagine. La configurazione sperimentale implementata mostra che le immagini sempre a fuoco possono essere visualizzate attraverso lo schermo ottico trasparente con un campo visivo di 9,20° X 5,20° entro un campo visivo di 9 mm X 3 mm ‘multiplexando’ tre specchi concavi. Ci si aspetta che la configurazione proposta possa essere utilizzata nelle applicazioni AR in cui è necessario visualizzare informazioni sempre a fuoco sovrapposte alla visione dell'ambiente reale.
Bibliografia:
K. Seong-Bok and P. Jae-Hyeung, Optical see-through Maxwellian near-to-eye display with an enlarged eyebox, Optics Letters 2018
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