Analyse de la technologie d'affichage à proximité (NED)

Un affichage à proximité de l'œil (NED) est un dispositif d'affichage conçu pour être utilisé à proximité immédiate de l'œil, généralement à quelques centimètres seulement. Contrairement aux écrans traditionnels vus à distance, un NED utilise un système optique sophistiqué pour projeter les images générées par un micro-écran interne dans une image virtuelle plus grande et plus distante.

Ce que l'utilisateur perçoit n'est pas le panneau d'affichage lui-même, mais une image virtuelle rendue optiquement à une distance de visualisation confortable. Cette capacité est fondamentale pour créer des expériences visuelles immersives et naturelles, en particulier dans les systèmes portables où la taille, le poids et la consommation électrique sont strictement limités.

Par conséquent, les NED sont de plus en plus reconnus comme une technologie essentielle pour les systèmes AR et VR modernes, où l’équilibre entre les performances d’affichage, l’efficacité optique et le confort de l’utilisateur est essentiel. À mesure que l'industrie s'oriente vers des appareils portables plus pratiques et quotidiens, le rôle des écrans de proximité a évolué de celui d'un composant expérimental à un facteur décisif dans le succès du produit.

Les NED se trouvent le plus souvent dans les visiocasques (HMD) et les lunettes intelligentes, servant de technologie de base derrière les expériences de réalité virtuelle (VR), de réalité augmentée (AR) et de réalité mixte (MR).

Composants optiques clés des écrans de proximité

Bien que les écrans à proximité (NED) puissent avoir une apparence futuriste, leurs systèmes optiques ne sont en réalité constitués que de trois composants clés. Ces composants fonctionnent ensemble pour transformer l'image d'un micro-écran en une image virtuelle large et confortable qui semble flotter juste devant les yeux de l'utilisateur.

Affichage / Source lumineuse

Dans les systèmes d'affichage à proximité de l'œil, l'écran (parfois appelé source de lumière ou moteur de lumière) est le composant principal responsable de la génération ou de la modulation de l'image. En termes simples, c'est de là que naît l'image avant d'être guidée et façonnée par des éléments optiques.

Le moteur d’affichage/éclairage est essentiel à la performance visuelle globale, influençant directement la clarté de l’image, la qualité des couleurs, la luminosité, l’efficacité énergétique et la fluidité des mouvements. Différentes technologies sont utilisées en fonction des exigences spécifiques des systèmes AR, VR ou MR. Les technologies d'affichage et de moteur lumineux courantes trouvées dans les systèmes optiques à proximité de l'œil comprennent :

LCoS (Liquid Crystal on Silicon) : une technologie de micro-affichage réfléchissant couramment utilisée dans les moteurs de lumière AR. Connu pour sa haute résolution et son excellente uniformité d’image, le LCoS est souvent utilisé avec des sources d’éclairage externes et des optiques de projection.

MicroLED : Une technologie de micro-écran auto-éclairant extrêmement lumineuse et économe en énergie. Ces propriétés les rendent particulièrement avantageux dans les écrans AR transparents, où il est essentiel de surmonter les interférences de la lumière ambiante.

LBS (Laser Beam Scanning) : technologie d'affichage qui génère des images en balayant un faisceau laser. LBS peut obtenir une conception optique compacte et fine et atteindre des performances de luminosité élevées, ce qui en fait un choix idéal pour les lunettes AR fines et légères.

OLED (Organic Light-Emitting Diode) : Une technologie d'affichage auto-éclairante connue pour son temps de réponse rapide, son contraste élevé et ses couleurs riches. L'OLED est largement utilisé dans les écrans VR et MR, et la luminosité et la durée de vie sont des considérations importantes lorsqu'elles sont appliquées à la réalité augmentée.

LCD (Liquid Crystal Display) : Une technologie de modulation de la lumière qui nécessite un rétroéclairage externe. Bien qu'il occupe une place historique importante par rapport aux nouvelles technologies de micro-affichage, son rapport de contraste est plus faible et sa vitesse de réponse est plus lente, de sorte que son application dans les écrans haut de gamme à proximité de l'œil a été relativement limitée.

Système DLP/DMD : une technologie d'affichage qui module la lumière à travers un réseau de micro-miroirs. Les systèmes DLP/DMD peuvent fournir une luminosité élevée et un contrôle précis de l'image, mais lorsqu'ils sont appliqués à des appareils situés à proximité de l'œil, la taille du système, la consommation d'énergie et la complexité optique doivent toutes être soigneusement gérées.

Combineur de faisceaux optiques

Un combineur optique contrôle la manière dont les images sont transmises aux yeux de l'utilisateur et comment elles se fondent dans le monde réel. Sa fonction varie en fonction des objectifs de conception du système, qu'il s'agisse d'une expérience totalement immersive ou de la superposition de contenu numérique sur l'environnement physique.

Dans les systèmes immersifs tels que les casques VR, le combinateur optique distribue les images aux deux yeux tout en bloquant la lumière externe, permettant à l'utilisateur d'être totalement immergé dans un environnement virtuel.

Dans les systèmes transparents comme les lunettes AR, le combineur optique joue un rôle plus complexe. Il doit mélanger de manière transparente les images numériques avec la lumière du monde réel, garantissant que les graphiques, le texte ou les objets virtuels s'intègrent de manière stable et confortable à l'environnement réel de l'utilisateur. Atteindre cet équilibre nécessite un contrôle précis de l’efficacité optique, de la luminosité et de la transparence.

Alors que les appareils AR entrent de plus en plus dans la vie quotidienne, le combineur optique est devenu l'un des composants les plus difficiles et les plus essentiels dans la conception d'écrans de proximité. Ses performances ont un impact significatif sur la taille du système, la qualité visuelle et le confort de l'utilisateur, déterminant finalement si l'affichage à proximité isole l'utilisateur de la réalité ou l'augmente.

Optique d'imagerie

Le système optique d'imagerie est chargé d'agrandir l'image du micro-écran et de la présenter comme une image visuelle large et confortable. Ces lentilles ou éléments optiques façonnent, grossissent et focalisent la lumière, permettant à l'image d'apparaître à une distance de visualisation naturelle plutôt que juste devant les yeux.

Il existe actuellement deux principales approches de conception :

Un système de formation de pupille de sortie étend la plage de pupille de sortie en générant une image intermédiaire, permettant à l'utilisateur de conserver une vision claire même lorsque ses yeux bougent, empêchant ainsi la perte de l'image en raison de changements dans la ligne de visée.

Un système de formation de pupille sans sortie dirige une lumière presque parallèle dans l’œil, présentant l’image à une plus grande distance visuelle, ce qui contribue à réduire la fatigue oculaire.

Son objectif principal est d'assurer la clarté visuelle tout en s'adaptant aux mouvements naturels des yeux et en maintenant le confort lors d'une utilisation prolongée.

Ces trois composants forment un système optique complet, l’œil humain servant de maillon final. Le générateur d'images crée le contenu visuel ; l'optique d'imagerie agrandit et façonne l'image ; et le combinateur optique détermine comment l'image est transmise à l'œil et si elle se fond dans le monde réel.

Plutôt que de projeter des images sur une surface physique, le système génère directement une image virtuelle et une pupille de sortie virtuelle. Lorsque l'œil est positionné dans cette zone, la lentille concentre la lumière directement sur la rétine, faisant apparaître l'image du micro-écran comme un écran massif suspendu dans l'espace.

Considérez un affichage à proximité comme une fenêtre de haute technologie : le générateur d'images représente la scène affichée dans la fenêtre ; l'optique d'imagerie agit comme un verre spécial qui fait paraître la scène plus large et plus lointaine ; et le combineur optique détermine si la fenêtre est transparente ou opaque. Ensemble, ces éléments créent une sensation de profondeur, d'échelle et d'immersion, définissant l'expérience visuelle unique d'un affichage à proximité de l'œil.

Défis de la mesure NED

La mesure et l'évaluation des écrans de proximité (NED) diffèrent fondamentalement des méthodes de test utilisées pour les écrans conventionnels. Étant donné que ces appareils sont spécifiquement conçus pour interagir avec l’œil humain, le système de mesure doit faire bien plus que simplement capturer la lumière. Il doit simuler la géométrie, le mouvement et les caractéristiques perceptuelles de l'œil humain, en effectuant des mesures dans une minuscule « boîte à yeux » en positionnant précisément la pupille d'entrée de la caméra là où se trouverait l'œil réel, tout en tenant simultanément compte de la rotation oculaire et des mécanismes de mise au point.

Cet ensemble unique d'exigences fait de la mesure NED l'un des aspects les plus difficiles de la métrologie d'affichage ; il sous-tend également directement les deux facteurs fondamentaux qui déterminent le succès ou l’échec de l’expérience d’affichage à proximité : le confort et l’immersion.

Confort

Le confort détermine si un affichage à proximité (NED) permet une utilisation naturelle et prolongée sans provoquer de fatigue ou d'inconfort ; la technologie de mesure aide les ingénieurs à identifier et à résoudre les problèmes affectant la vision, le sens de l'équilibre et l'expérience physique globale de l'utilisateur.

L’un des défis les plus critiques est le conflit Vergence-Accommodation (VAC). En vision naturelle, les yeux convergent vers l'intérieur pour se fixer sur un objet tout en ajustant simultanément leur distance focale pour correspondre à l'emplacement de cet objet. Cependant, dans de nombreux systèmes NED, les yeux peuvent converger vers un objet virtuel alors que la distance focale reste fixe à une distance optique différente. Cet écart est l'une des principales causes de fatigue oculaire, de fatigue, d'étourdissements et de nausées, ce qui fait de VAC une priorité absolue tant dans la conception que dans les mesures.

La conception du matériel est tout aussi cruciale ; Comme les NED sont des appareils montés sur la tête, le poids, les dimensions et l'équilibre du centre de gravité ont un impact direct sur le confort de port. Même avec une qualité d'affichage exceptionnelle, un appareil trop lourd ou mal équilibré rend difficile une utilisation prolongée pour l'utilisateur. La technologie de mesure joue ici un rôle central, garantissant que les conceptions optiques atteignent un format compact et léger sans compromettre les performances.

Un autre aspect clé est la configuration spatiale, généralement décrite en termes de dégagement oculaire et de dégagement oculaire. Le dégagement oculaire fait référence à la distance entre la surface optique finale et la pupille de sortie (généralement entre 20 et 25 millimètres), tandis que le dégagement oculaire correspond à la distance entre la surface optique finale et la position idéale des yeux. Un contrôle précis de ces distances est essentiel pour garantir le confort du porteur, la compatibilité avec les lunettes et la sécurité de fonctionnement.

La « boîte à yeux » est étroitement liée à cela et définit la plage spatiale dans laquelle l'œil peut se déplacer tout en visualisant l'image complète. Une boîte à yeux bien conçue permet un mouvement naturel des yeux sans recadrage ni distorsion de l'image. Les techniques de mesure doivent évaluer à la fois la taille et la position de la boîte à yeux pour garantir une expérience toujours confortable pour divers utilisateurs.

De plus, le système doit tenir compte du système vestibulaire de l'utilisateur, le système sensoriel responsable de l'équilibre et de l'orientation spatiale. Si les signaux visuels d’un ou des deux yeux sont mal alignés, le cerveau peut les interpréter comme des informations de mouvement contradictoires, entraînant potentiellement un inconfort ou le mal des transports. Une mesure précise permet d’éviter de telles incohérences sensorielles.

Immersion

L'immersion détermine le réalisme et la fluidité d'une expérience virtuelle. Un affichage à proximité (NED) hautement immersif garantit que le contenu numérique est stable, réactif et visuellement réaliste.

Le champ de vision (FOV) est un facteur critique influençant l’immersion. Un champ de vision plus large remplit une plus grande partie de l'espace visuel de l'utilisateur et améliore le sentiment de présence, mais cela implique souvent des compromis, tels qu'une résolution réduite ou une boîte à yeux plus petite. C'est précisément dans la recherche de l'équilibre optimal entre ces compromis que la technologie de mesure joue un rôle essentiel.

La résolution et la clarté de l’image sont également essentielles à la qualité visuelle. Une densité de pixels insuffisante peut entraîner un « effet de porte moustiquaire », dans lequel les pixels individuels ou les espaces entre eux deviennent clairement visibles. Dans les écrans de proximité, la résolution est généralement mesurée en pixels par degré (PPD), représentant le nombre de pixels affichés dans chaque degré du champ de vision de l'utilisateur.

PPD est l'une des mesures de performances les plus critiques pour les systèmes AR et VR ; des valeurs plus élevées indiquent des images plus nettes et une expérience visuelle plus naturelle.

Les systèmes de mesure utilisent des outils tels que l'analyse de la fonction de transfert de modulation (MTF) pour évaluer la résolution et la clarté de l'image, évaluant ainsi la capacité du système optique à reproduire des détails fins. En combinant les mesures PPD avec l'analyse MTF, les ingénieurs peuvent évaluer de manière globale si un écran offre suffisamment de clarté pour offrir une expérience utilisateur confortable et immersive.

La luminosité et le contraste ont un impact significatif sur le réalisme et la lisibilité. Les écrans immersifs nécessitent un contraste élevé pour restituer des noirs profonds, tandis que les systèmes AR transparents doivent garantir que le contenu numérique reste clairement visible sur des arrière-plans lumineux et complexes du monde réel.

La latence est un autre paramètre critique affectant l’immersion ; tout décalage notable entre le mouvement de la tête et la mise à jour de l'affichage visuel brise le sentiment de présence et peut même déclencher le mal des transports. Des mesures précises garantissent que la réactivité du système reste à la fois rapide et stable.

Pour les écrans transparents, la gestion de la profondeur de champ est particulièrement cruciale : les utilisateurs doivent être capables de voir clairement à la fois le contenu numérique et les objets physiques sans avoir à se recentrer fréquemment ; sinon, le sentiment d’immersion s’effondre instantanément.

Source : UPRtek