Analisi della tecnologia Near-Eye Display (NED).

Un display vicino all'occhio (NED) è un dispositivo di visualizzazione progettato per essere utilizzato in prossimità dell'occhio, in genere a pochi centimetri di distanza. A differenza degli schermi tradizionali visualizzati a distanza, un NED utilizza un sofisticato sistema ottico per proiettare le immagini generate da un micro-display interno in un'immagine virtuale più grande e più distante.

Ciò che l'utente percepisce non è il display stesso, ma un'immagine virtuale resa otticamente ad una distanza di visione confortevole. Questa capacità è fondamentale per creare esperienze visive coinvolgenti e naturali, in particolare nei sistemi indossabili in cui dimensioni, peso e consumo energetico sono strettamente limitati.

Di conseguenza, i NED sono sempre più riconosciuti come una tecnologia abilitante fondamentale per i moderni sistemi AR e VR, dove il bilanciamento delle prestazioni del display, dell’efficienza ottica e del comfort dell’utente è fondamentale. Mentre l’industria si sposta verso dispositivi più pratici e indossabili tutti i giorni, il ruolo dei display vicini all’occhio si è evoluto da quello di un componente sperimentale a un fattore decisivo per il successo del prodotto.

I NED si trovano più comunemente nei display montati sulla testa (HMD) e negli occhiali intelligenti e fungono da tecnologia principale dietro le esperienze di realtà virtuale (VR), realtà aumentata (AR) e realtà mista (MR).

Componenti ottici chiave dei display vicini all'occhio

Sebbene i Near-Eye Displays (NED) possano avere un aspetto futuristico, i loro sistemi ottici sono in realtà costituiti da soli tre componenti chiave. Questi componenti lavorano insieme per trasformare l'immagine da un micro-display in un'immagine virtuale ampia e confortevole che sembra fluttuare proprio davanti agli occhi dell'utente.

Display/Fonte luminosa

Nei sistemi di visualizzazione per vicino all'occhio, il display (a volte indicato come sorgente luminosa o motore luminoso) è il componente principale responsabile della generazione o della modulazione dell'immagine. In poche parole, è qui che nasce l'immagine prima di essere guidata e modellata da elementi ottici.

Il motore display/luce è fondamentale per le prestazioni visive complessive, influenzando direttamente la chiarezza dell'immagine, la qualità del colore, la luminosità, l'efficienza energetica e la fluidità del movimento. Vengono impiegate diverse tecnologie a seconda dei requisiti specifici dei sistemi AR, VR o MR. Le comuni tecnologie di visualizzazione e motore di illuminazione presenti nei sistemi ottici vicini all'occhio includono:

LCoS (Liquid Crystal on Silicon): una tecnologia di microdisplay riflettente comunemente utilizzata nei motori di luce AR. Noto per l'alta risoluzione e l'eccellente uniformità dell'immagine, LCoS viene spesso utilizzato con fonti di illuminazione esterne e ottiche di proiezione.

MicroLED: una tecnologia di microdisplay autoilluminante estremamente luminosa ed efficiente dal punto di vista energetico. Queste proprietà li rendono particolarmente vantaggiosi nei display AR trasparenti, dove è fondamentale superare le interferenze della luce ambientale.

LBS (Laser Beam Scanning): una tecnologia di visualizzazione che genera immagini scansionando un raggio laser. LBS può ottenere un design ottico compatto e sottile e ottenere prestazioni di luminosità elevate, rendendolo la scelta ideale per occhiali AR sottili e leggeri.

OLED (diodo organico a emissione di luce): una tecnologia di visualizzazione autoilluminante nota per i tempi di risposta rapidi, il contrasto elevato e i colori intensi. L'OLED è ampiamente utilizzato nei display VR e MR, e la luminosità e la durata sono considerazioni importanti quando applicate all'AR.

LCD (Display a cristalli liquidi): una tecnologia di modulazione della luce che richiede una retroilluminazione esterna. Sebbene abbia una posizione storica importante, rispetto alle nuove tecnologie di micro-display, il suo rapporto di contrasto è inferiore e la sua velocità di risposta è più lenta, quindi la sua applicazione nei display vicini all'occhio di fascia alta è stata relativamente limitata.

Sistema DLP/DMD: una tecnologia di visualizzazione che modula la luce attraverso una matrice di microspecchi. I sistemi DLP/DMD possono fornire elevata luminosità e controllo preciso dell'immagine, ma quando applicati a dispositivi vicini all'occhio, le dimensioni del sistema, il consumo energetico e la complessità ottica devono essere gestiti con attenzione.

Combinatore di raggi ottici

Un combinatore ottico controlla il modo in cui le immagini vengono trasmesse agli occhi dell'utente e come si fondono con il mondo reale. La sua funzione varia a seconda degli obiettivi di progettazione del sistema, sia che lo scopo sia un'esperienza completamente coinvolgente o la sovrapposizione di contenuti digitali nell'ambiente fisico.

Nei sistemi immersivi come i visori VR, il combinatore ottico distribuisce le immagini a entrambi gli occhi bloccando la luce esterna, consentendo all'utente di essere completamente immerso in un ambiente virtuale.

Nei sistemi trasparenti come gli occhiali AR, il combinatore ottico gioca un ruolo più complesso. Deve fondere perfettamente le immagini digitali con la luce del mondo reale, garantendo che la grafica, il testo o gli oggetti virtuali si integrino in modo stabile e confortevole con l'ambiente reale dell'utente. Il raggiungimento di questo equilibrio richiede un controllo preciso sull’efficienza ottica, sulla luminosità e sulla trasparenza.

Con l’ingresso crescente di dispositivi AR nella vita quotidiana, il combinatore ottico è diventato uno dei componenti più impegnativi e cruciali nella progettazione dei display per occhi vicini. Le sue prestazioni influiscono in modo significativo sulle dimensioni del sistema, sulla qualità visiva e sul comfort dell'utente, determinando in definitiva se la visualizzazione a distanza ravvicinata isola l'utente dalla realtà o la amplifica.

Ottica per immagini

Il sistema ottico di imaging è responsabile dell'ingrandimento dell'immagine dal micro-display e della presentazione come un'immagine visiva ampia e confortevole. Queste lenti o elementi ottici modellano, ingrandiscono e focalizzano la luce, consentendo all'immagine di apparire a una distanza di visione naturale anziché direttamente davanti agli occhi.

Attualmente esistono due principali approcci progettuali:

Un sistema di formazione della pupilla di uscita espande il range della pupilla di uscita generando un'immagine intermedia, consentendo all'utente di mantenere una visione chiara anche mentre gli occhi si muovono, evitando così che l'immagine vada persa a causa di spostamenti della linea di vista.

Un sistema di formazione della pupilla senza uscita dirige la luce quasi parallela nell'occhio, presentando l'immagine a una distanza visiva maggiore, il che aiuta a ridurre l'affaticamento della vista.

Il suo obiettivo principale è garantire chiarezza visiva assecondando il movimento naturale degli occhi e mantenendo il comfort durante l'uso prolungato.

Questi tre componenti formano un sistema ottico completo, con l'occhio umano che funge da collegamento finale. Il generatore di immagini crea il contenuto visivo; l'ottica di imaging ingrandisce e modella l'immagine; e il combinatore ottico determina come l'immagine viene consegnata all'occhio e se si fonde con il mondo reale.

Invece di proiettare le immagini su una superficie fisica, il sistema genera direttamente un'immagine virtuale e una pupilla di uscita virtuale. Quando l'occhio è posizionato all'interno di questa zona, la lente focalizza la luce direttamente sulla retina, facendo apparire l'immagine del micro-display come un enorme schermo sospeso nello spazio.

Pensa a un display vicino all'occhio come a una finestra ad alta tecnologia: il generatore di immagini rappresenta la scena visualizzata all'interno della finestra; l'ottica dell'immagine agisce come un vetro speciale che fa apparire la scena più ampia e distante; e il combinatore ottico determina se la finestra è trasparente o opaca. Insieme, questi elementi creano un senso di profondità, scala e immersione, definendo l'esperienza visiva unica di un display ravvicinato.

Sfide di misurazione NED

La misurazione e la valutazione dei display vicini all'occhio (NED) differiscono sostanzialmente dai metodi di prova utilizzati per gli schermi convenzionali. Poiché questi dispositivi sono progettati specificatamente per interfacciarsi con l’occhio umano, il sistema di misurazione deve fare molto di più che semplicemente catturare la luce. Deve simulare la geometria, il movimento e le caratteristiche percettive dell'occhio umano, eseguendo misurazioni all'interno di una minuscola 'scatola oculare' posizionando con precisione la pupilla d'ingresso della fotocamera dove si troverebbe l'occhio reale, tenendo conto contemporaneamente della rotazione oculare e dei meccanismi di messa a fuoco.

Questo insieme unico di requisiti rende la misurazione NED uno degli aspetti più impegnativi della metrologia di visualizzazione; inoltre, è alla base diretta dei due fattori fondamentali che determinano il successo o il fallimento dell'esperienza di visualizzazione a distanza ravvicinata: comfort e immersione.

Comfort

Il comfort determina se un Near-Eye Display (NED) consente un uso naturale e prolungato senza causare affaticamento o disagio; la tecnologia di misurazione aiuta gli ingegneri a identificare e risolvere i problemi che influenzano la vista, il senso di equilibrio e l'esperienza fisica complessiva dell'utente.

Una delle sfide più critiche è il conflitto Vergence-Accommodation (VAC). Nella visione naturale, gli occhi convergono verso l'interno per fissare un oggetto e contemporaneamente regolano la loro distanza focale per adattarla alla posizione dell'oggetto. In molti sistemi NED, tuttavia, gli occhi possono convergere su un oggetto virtuale mentre la distanza focale rimane fissa ad una distanza ottica diversa. Questa discrepanza è una delle cause principali di affaticamento degli occhi, affaticamento, vertigini e nausea, rendendo il VAC una priorità assoluta sia nella progettazione che nella misurazione.

La progettazione dell'hardware è altrettanto cruciale; poiché i NED sono dispositivi montati sulla testa, il peso, le dimensioni e l'equilibrio del baricentro influiscono direttamente sul comfort. Anche con una qualità di visualizzazione eccezionale, un dispositivo troppo pesante o poco bilanciato rende difficile all'utente un utilizzo prolungato. La tecnologia di misurazione gioca un ruolo fondamentale in questo ambito, garantendo che i progetti ottici raggiungano un fattore di forma compatto e leggero senza compromettere le prestazioni.

Un altro aspetto chiave è la configurazione spaziale, tipicamente descritta in termini di distanza oculare e sollievo oculare. La distanza oculare si riferisce alla distanza tra la superficie ottica finale e la pupilla di uscita, solitamente tra 20 e 25 millimetri, mentre l'estrazione pupillare è la distanza dalla superficie ottica finale alla posizione ideale dell'occhio. Il controllo preciso di queste distanze è essenziale per garantire il comfort di chi lo indossa, la compatibilità con gli occhiali e la sicurezza operativa.

Strettamente correlato a questo è il 'eye box', che definisce l'intervallo spaziale entro il quale l'occhio può muoversi pur continuando a visualizzare l'immagine completa. Una scatola oculare ben progettata consente il movimento naturale degli occhi senza ritagli o distorsioni dell'immagine. Le tecniche di misurazione devono valutare sia le dimensioni che la posizione della scatola oculare per garantire un'esperienza costantemente confortevole per utenti diversi.

Inoltre, il sistema deve tenere conto del sistema vestibolare dell'utente, il sistema sensoriale responsabile dell'equilibrio e dell'orientamento spaziale. Se i segnali visivi provenienti da uno o entrambi gli occhi sono disallineati, il cervello può interpretarli come informazioni di movimento contrastanti, portando potenzialmente a disagio o cinetosi. Una misurazione precisa aiuta a prevenire tali incongruenze sensoriali.

Immersione

L'immersione determina il realismo e la fluidità di un'esperienza virtuale. Un Near-Eye Display (NED) altamente coinvolgente garantisce che i contenuti digitali siano stabili, reattivi e visivamente realistici.

Il campo visivo (FOV) è un fattore critico che influenza l'immersione. Un FOV più ampio riempie maggiormente lo spazio visivo dell'utente e migliora il senso di presenza, ma spesso comporta dei compromessi, come una risoluzione ridotta o un eyebox più piccolo. Trovare l’equilibrio ottimale tra questi compromessi è proprio il luogo in cui la tecnologia di misurazione gioca un ruolo fondamentale.

Anche la risoluzione e la chiarezza dell'immagine sono fondamentali per la qualità visiva. Una densità di pixel insufficiente può portare all''effetto porta-schermo', in cui i singoli pixel o gli spazi tra loro diventano chiaramente visibili. Nei display vicini all'occhio, la risoluzione viene generalmente misurata in pixel per grado (PPD), che rappresenta il numero di pixel visualizzati entro ogni grado del campo visivo dell'utente.

Il PPD è uno dei parametri prestazionali più critici per i sistemi AR e VR; valori più alti indicano immagini più nitide e un'esperienza visiva più naturale.

I sistemi di misurazione utilizzano strumenti come l'analisi della funzione di trasferimento della modulazione (MTF) per valutare la risoluzione e la chiarezza dell'immagine, valutando così la capacità del sistema ottico di riprodurre i dettagli più fini. Combinando le misurazioni PPD con l'analisi MTF, gli ingegneri possono valutare in modo completo se un display offre una chiarezza sufficiente per offrire un'esperienza utente confortevole e coinvolgente.

Luminosità e contrasto influiscono in modo significativo sul realismo e sulla leggibilità. I display immersivi richiedono un contrasto elevato per riprodurre neri profondi, mentre i sistemi AR trasparenti devono garantire che i contenuti digitali rimangano chiaramente visibili su sfondi luminosi e complessi del mondo reale.

La latenza è un altro parametro critico che influenza l’immersione; qualsiasi ritardo evidente tra il movimento della testa e l'aggiornamento del display distrugge il senso di presenza e può persino scatenare la chinetosi. La misurazione precisa garantisce che la reattività del sistema rimanga veloce e stabile.

Per i display trasparenti, la gestione della profondità di campo è particolarmente cruciale: gli utenti devono essere in grado di vedere chiaramente sia il contenuto digitale che gli oggetti fisici contemporaneamente senza dover rimettere a fuoco frequentemente; altrimenti il ​​senso di immersione crolla all’istante.

Fonte: UPRtek