Zien is geloven: Ansys Optical Solutions stimuleren de miniaturisatie van AR/VR in moderneconsumentenelektronica

Op het hoogtepunt van de pandemie inspireerde de gedwongen isolatie als gevolg van quarantaine entertainers om creatievere manieren te vinden om hun publiek te bereiken. In 2020 verscheen rapper Travis Scott voor videogamespelers als een personage in 'Fortnite' van Epic Game. De zangeres trad in deze virtuele wereld 15 minuten op voor 12,3 miljoen aanwezigen.

Sindsdien is de metaverse zich in snel tempo blijven uitbreiden, waarbij virtuele werelden worden omarmd waar je kan socialiseren, dingen kunt kopen en zelfs plaats kan nemen aan de tafel van het virtuele huis van je keuze. Augmentedreality (AR) en virtual reality (VR) zijn de fundamentele technologieën die de impuls mogelijk maken om de metaverse uit te breiden op basis van interacties in onze fysieke wereld. In de toekomst is de verwachting dat de optische systemen die AR/VR-head-mounted displays en slimme apparaten ondersteunen, gelijke tred zullen houden met deze ontwikkelingen.

“Ik zie een trend in camera’s voor mobiele telefoons en andere apparaten waarbij fabrikanten proberen een steeds hogere beeldkwaliteit te bereiken in AR/VR”, zegt Michael Cheng, Lead Application Engineer bij de Ansys Optical-groep. “Tegenwoordig bereiken ze de prestatielimiet die mogelijk is met traditionele lenzen binnen een beschikbaar formaat (de beste smartphones hebben zeven of acht lenzen in hun cameramodules). Veel bedrijven zijn op zoek naar nieuwe oplossingen zoals metalenses (kwartsplaten bestaande uit microscopisch kleine titaniumstructuren) om glazen lenzen in traditionele optica te vervangen voor betere prestaties in een compacter formaat.”

De focus van deze discussie ligt op de oplossingen van Ansys die gericht zijn op de innovatie die nodig is om de optica achter AR/VR-systemen te verbeteren die zijn ingebed in consumentenelektronica, waaronder smartphones. Wat drijft de vraag van consumenten naar deze toepassingen? En hoe kan simulatie fabrikanten helpen hieraan beter te voldoen?

AR versus VR: wat is het verschil?

AR- en VR-fabrikanten worden geconfronteerd met specifieke ontwerpuitdagingen. De technologie is niet nieuw, maar evolueert snel, omdat veel trends bij ontwerpers en bedrijven vorm krijgen in de vorm van niet-traditionele oplossingen. De uitdaging vanuit een optisch perspectief – of je nu brillen of smartphones ontwerpt – is hoe je snel toenemende prestatieverwachtingen kunt integreren in een steeds kleiner wordendebehuizing.

AR

Laten we beginnen met AR, dat door de computer gegenereerde informatie gebruikt om omgevingen in realtime te verbeteren. In deze toepassingen wordt perceptuele informatie in wezen gelaagd bovenop een natuurlijke, 3D-omgeving om te verbeteren wat er al om je heen bestaat. Het wordt veel gebruikt bij het op de markt brengen van producten, goederen en diensten. Detailhandelaren gebruiken het vaak om aantrekkelijkere winkelervaringen voor consumenten te creëren, bijvoorbeeld om hen te helpen meubels in een specifieke kamer van hun huis te visualiseren.

VR

VR is een computersimulatie van een kunstmatige wereld met de kracht om je onder te dompelen in een geheel nieuwe, kunstmatig gecreëerde omgeving. VR wordt niet alleen gebruikt voor marketing- of entertainmentdoeleinden, maar ook vanwege de voorspellende kracht ervan. Met behulp van een headset kan de gebruiker met VR een door de computer gegenereerde scène betreden om ervaringsgericht belangrijke informatie te leren, of het nu gaat om soldaten die zich voorbereiden op gevechten of artsen die trainen voor operaties.

Drivers voorverandering in AR/VR-toepassingen

In AR wordt de technologische verandering vooral gedreven door de noodzaak dat deze systemen compact en licht genoeg moeten zijn voorconsumentenelektronicatoepassingen, zodat ze zowel comfortabel als stijlvol zijn om te dragen. Kleinere moduleontwerpen en betere beeldprestaties zijn de belangrijkste drijfveren voor AR-systemen. De beelden die de drager van een AR-headset bekijkt, moeten bijvoorbeeld helder genoeg zijn om zichtbaar te zijn in zonnige omstandigheden. Het maken van een lichtgewicht, compact scherm met hoge helderheid dat geschikt is voor verschillende omgevingen is absoluut een uitdaging.

Er ligt ook een nadruk op lichtere toepassingen voor VR, maar vanwege de verwachtingen van de consument ligt de nadruk iets minder (deels omdat consumenten verwachten dat deze systemen wat omvangrijker zijn). Bij VR is de uitdaging het bereiken van een voldoende hoge resolutie en scherptediepte – feitelijk de afstand waarop een object scherp kan worden waargenomen.

“Momenteel ondersteunen de meeste stereoscopische VR-producten (die de gebruiker een meer realistische, meeslepende ervaring bieden zonder de bulk) op de markt slechts één enkele beeldpositie voor elk oog”, zegt Cheng. “Veel bedrijven en laboratoria hebben in feite oplossingen ontwikkeld met meerdere beeldposities voor een beter bereik van het diepteveld, maar ze zijn nog niet volwassen genoeg voor massaproductie.”

Op het lichtpad met Ansys optischesysteemsimulaties

Ansys biedt een uitgebreide oplossing voor het ontwerp en de simulatie van optische systemen die geschikt zijn voor AR/VR-toepassingen. De raytracing-mogelijkheden in AnsysZemaxOpticStudio kunnen worden gebruikt om de paden te simuleren die licht door deze complexe systemen aflegt, van de Picture Generation Unit (PGU) – een module voor het leveren van onbewerkte beelden – via lenzen en golfgeleiders tot in het oog van de drager. Binnen OpticStudio kan een volledige analyse van de optische prestaties en helderheid van het systeem worden uitgevoerd om een aantal variabelen te bepalen die verband houden met beeldprestaties, waaronder resolutie en dieptewaarneming. Recente softwareverbeteringen maken ook directe integratie van AnsysLumericalphotonics-simulaties in OpticStudio mogelijk, waardoor een krachtige workflow ontstaat voor bedrijven om hun AR/VR-systemen te verbeteren.

“Het toevoegen van Lumerical maakt volledige simulaties mogelijk van nieuwe diffractieve optische elementen (DOE’s) die in golfgeleiders worden gebruikt om de algehele systeemprestaties beter te begrijpen”, zegt Cheng. “De unieke mogelijkheden van deze elementen om lichtgolven vorm te geven die AR/VR-toepassingen ondersteunen, zijn niet haalbaar met traditionele refractieve lenzen. Zonder simulatie zijn DOE’s echter over het algemeen duurder om te produceren.”

De consumentenapparaten die AR/VR-toepassingen ondersteunen, worden steeds kleiner en sneller, waardoor energiezuinigere ontwerpen nodig zijn. In combinatie bereiken OpticStudio en Lumerical deze benchmarks door ontwerpers te helpen efficiëntere optische systemen te ontwikkelen waarbij minder licht verloren gaat tijdens de reis van de PGU naar het oog van de drager. Dit resulteert niet alleen in beelden met een hogere helderheid; het kan ontwerpers ook helpen de PGU-vereisten voor helderheid, vermogen en koeling in kleine elektronica te verminderen; verklein de systeemgrootte; en in het algemeen een grotere efficiëntie realiseren.

En Ansys Speos maakt er drie

Wat gebeurt er als je AnsysSpeos optische systeemontwerp- en validatiesoftware aan de mix toevoegt? Door samen te werken bieden OpticStudio, Lumerical en Speos een volledige optische oplossing om sneller kleinere, op consumenten gebaseerde elektronische AR/VR-systeemprototypes te bouwen, de time-to-market te verkorten en fabrikanten te helpen hun concurrentievoordeel technologisch te behouden.

Ten eerste simuleert Lumerical de optische effecten op nanoschaal. De resulterende gegevens worden overgebracht naar OpticStudio, dat tools heeft om componenten en systemen te ontwerpen op basis van deze informatie op de schaal van millimeters tot meters. Speos kan de optica vervolgens integreren in grotere systeemmodellen en de eigenschappen van het menselijk zicht integreren, die belangrijk zijn om de kwaliteit en ervaring van elke AR/VR-consumentenoplossing te evalueren.

“Ansys biedt een unieke reeks naadloos gekoppelde tools die alle aspecten van het ontwerp van AR/VR-apparaten bestrijken”, zegt Cheng. “Je kunt Lumerical gebruiken om alle subgolflengtestructuren aan te kunnen, zoals roosters, polarisatoren, dunne films of kwartgolfplaten. In OpticStudio kun je de tolerantie van het hele systeem ontwerpen, optimaliseren en analyseren met gegevens van Lumerical, en vervolgens het systeem verifiëren met behulp van Speos op waarneming door het menselijk oog, omgevingseffecten en strooilicht.”

Originele bron: Perceiving is Believing: Ansys Optical Solutions Drive Miniaturization of AR/VR in Modern Consumer Electronics