Projektor přímo do oka: Nový typ displeje pro AR brýle obchází složitou optiku

Princip: Každý pixel jako miniaturní projektor

U běžného displeje pro nošení na očích generuje mikrodisplej obraz, který musí být před dopadem do oka přetvořen čočkami nebo vlnovody. Přístup A‑RPD přesouvá velkou část optické práce přímo na čip displeje.

Systém je postaven na aktivně řízeném mikrodispleji, kde:

• Každý pixel tvoří mikro-LED zdroj světla.
• Pole mikro-LED je řízeno CMOS podložkou, která ovládá jas a načasování.
• Mikroskopické kolimátory jsou integrovány přímo nad každým pixelem.

Tyto miniaturní optické struktury zajišťují, že každý pixel vyzařuje kolimovaný (rovnoběžný) světelný paprsek. Jelikož je paprsek již správně tvarován, může projít zornicí a dopadnout přímo na sítnici, aniž by potřeboval další optiku pro tvorbu obrazu.

Tento konstrukční princip se nazývá kolimace pixel po pixelu – každý pixel generuje svůj vlastní přesně směrovaný paprsek, který se podílí na výsledném sítnicovém obrazu.

Obchází vlnovody a objemnou optiku

Většina dnešních AR headsetů používá vlnovody nebo soustavy čoček k umístění virtuálního obrazu před oko. Tyto součástky přidávají rozměry, hmotnost, problémy s justováním a optické ztráty.

V systému A‑RPD plní mikrodisplej obě úlohy najednou:

1. Generování obrazu – pole mikro-LED vytváří pixelový vzor.
2. Tvarování paprsků – integrované kolimátory usměrňují světlo z každého pixelu.

Protože světlo opouští displej již kolimované, může zařízení poslat obraz přímo přes zornici, čímž odpadá potřeba samostatné projekční optiky nebo vlnovodů.

Tato integrace by mohla výrazně zjednodušit optickou architekturu budoucích AR brýlí.

Jak retinální projekce řeší konflikt akomodace a vergence

Jedním z největších problémů u AR a VR headsetů je tzv. konflikt mezi akomodací a vergencí (VAC).

Normálně:

• Vaše oči se sbíhají (vergence) na vnímanou vzdálenost.
• Vaše čočky se zaostřují (akomodace), aby odpovídaly této vzdálenosti.

Mnoho headsetů zobrazuje obrazy v pevné optické vzdálenosti, zatímco binokulární rozdíl naznačuje jinou hloubku. Tento nesoulad může vést k namáhání očí nebo až k nevolnosti.

Retinální projekční systémy fungují na principu podobném Maxwellovským displejům, kde je světlo směrováno středem zornice na sítnici. V této konfiguraci zůstává sítnicový obraz ostrý v širokém rozsahu zaostření oka, což prakticky znamená „vždy ostrý“ obraz s velmi velkou hloubkou ostrosti.

Proto jsou retinální projekční displeje považovány za způsob, jak omezit nebo zcela odstranit VAC u AR systémů.

Výkon prototypu: Ostrý obraz od 40 cm do 160 cm

Výzkumníci postavili funkční prototyp A‑RPD využívající architekturu mikrodispleje s kolimovanými pixely.

Při testech systém vytvářel ostré sítnicové obrazy pro vzdálenosti přibližně od 40 cm do 160 cm, což výrazně překonává srovnatelný mikrodisplej bez kolimace.

Tento velký rozsah hloubky ostrosti demonstruje výhodu vysílání již kolimovaných světelných paprsků do oka.

Význam ultra-hustých mikro-LED displejů

Aby retinální projekce poskytovala vysoce kvalitní obraz, musí displej obsahovat extrémně malé pixely v nepatrné ploše.

Mikro-LED technologie je považována za silného kandidáta pro AR/VR displeje, protože nabízí:

• velmi vysoký jas
• vysokou energetickou účinnost
• dlouhou životnost
• extrémně malé velikosti pixelů vhodné pro optiku těsně u oka.

Nejnovější výzkum ukazuje, jak rychle se hustota pixelů zvyšuje. Například nanopilířové GaN LED pole dosáhla v experimentálních displejích hustoty asi 6 336 pixelů na palec (PPI), což ukazuje cestu k ještě vyšším hustotám potřebným pro pohlcující AR a VR.

Vyšší PPI přímo zlepšuje úhlové rozlišení, což je zásadní, když displej leží jen milimetry od oka.

Zbývající technické výzvy

Přes slibné výsledky prototypu jsou systémy A‑RPD stále ve fázi raného výzkumu. Než by se tato technologie mohla objevit v komerčních AR brýlích, je třeba vyřešit několik problémů, včetně:

• rozšíření výstupní pupily (oblasti, kde se může oko pohybovat a stále vidět obraz)
• další miniaturizace optických součástek
• dosažení jednotných, vysoce rozlišených mikro-LED polí ve velkém měřítku.

Pokud se tyto výzvy podaří překonat, mohla by aktivní retinální projekce nabídnout radikálně jednodušší optickou cestu pro AR headsety – takovou, kde většinu práce odvede samotný čip displeje.

Výsledkem by byly lehčí a kompaktnější brýle schopné promítat vysoce rozlišený digitální obsah přímo na sítnici.