Facebook Reality Labs hat sich kürzlich in einem Paper zu umfassenden Forschungen im Bereich der Display-Optiken geäußert. Dabei richtet sich der prüfende Blick auf leichte, hochauflösende VR-Displays, die nicht viel dicker als eine Sonnenbrille sind. Validiert wurden hierbei Ansätze zur holographischen Optik, der direktionalen Hintergrundbeleuchtung, Laserillumination & polarisationsbasierten optischen Faltung.

Um die Untersuchungen besser einordnen zu können, empfiehlt es sich, den prinzipiellen Aufbau eines Mixed-Reality-/VR-Displays zu verstehen. Hierzu verweisen wir auf unseren Artikel über die „Funktionsweise eines VR-Headsets“.

Wellenleiter-Optiken

Die optische Wellenleiter-Technologie ist eine entscheidende Komponente für Anzeigesysteme der augmentierten Realität – hier gibt es verschiedene Ansätze.

Sog. diffraktive Wellenleiter arbeiten zur Lichtaufteilung mit planaren Beugegittern, um die einfallenden Lichtwellen mit einem bestimmten Winkel unter Totalreflexion ein- und auskoppeln zu können und anschließend in das Auge des Betrachters zu lenken.

Die Manipulation der Lichtstrahlen wird hier auf Mikroebene bewältigt, was Platz spart. Andererseits ergibt sich ein gewichtiges Manko, denn die Farb-Wiedergabe erfolgt unter Einwirkung des gesamten spektralen Reflexionsvermögens. Für letzteren Aspekt bedeutet dies hinsichtlich des Beugungsvorgangs der Lichtstrahlen ein Aufkommen von Farbungleichmäßigkeiten: Ein Beugungsgitter leitet unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen um. Insofern müssen für die RGB-Farben verschiedene Gitterparameter berücksichtigt werden. Hiervon sind sowohl Beugegitter/ diffraktive optische Elemente (DOE), als auch Volumengitter/ holografische Elemente (HOE) zur Beugung des Lichts betroffen.

Holografische Wellenleiter-Displays arbeiten bei hoher Auflösung bzw. Beugungseffizienz vorteilhaft unter Einsatz eines Photopolymer-Wellenleiters (wie ihn z.B. DigiLens verwenden). Diese Holografische Optiken basieren auf Laserlichtquellen anstelle von LEDs.

Letztlich sind DOE-basierte AR-/MR-Displays jedoch noch kostengünstiger in der Herstellung/ massentauglicher.

Da optische Wellenleiter einen kleinen optischen Wirkungsgrad besitzen, bedarf es auch leistungsstarker Projektoren auf Basis von LEDs als Lichtquelle und LCOS zur Bildmodulation.

Magic Leap One arbeitet ebenfalls mit einem LCOS-Mikrodisplay und einer Wellenleiteranzeige, die Licht sechs hauchdünnen laminierten Schichten in zwei Fokusebenen (je zwei pro Farbkanal) aussetzt. Auch das Mixed-Reality-Headset Microsoft Hololens verwendet gestapelte Wellenleiter, um das Licht zu brechen und anschließend Bilder in 3D auszugeben.

Für die zweite Iteration der Hololens wurde ein laserbasiertes Wellenleiter-Display verbaut, das Licht mittels zyklischer Spiegelbewegungen reflektiert und in das Auge des Betrachters leitet. Doch bei all diesen Techniken bleibt der Akkommodations-Vergenz-Konflikt bestehen: um ein scharfes Bild zu erhalten, akkommodieren Nutzer auf die (für jedes gezeigte virtuelle Objekt identische) Brennweite der Anzeige, konvergieren aber hinsichtlich der Entfernung des angezeigten Objekts.

Karten neu gemischt: Faltoptiken

Im Gegensatz zu Mixed-Reality-Headsets ermöglichen VR-Brillen ein komplettes Eintauchen in die virtuelle Welt und nicht „nur“ eine Projektion von 3D-Hologrammen, die in der realen Welt verankert werden. Entsprechend muss das Sichtfeld eines VR-Displays deutlich größer sein; um den Akkommodations-Vergenz-Konflikt nicht noch weiter zu verstärken, muss außerdem ein entsprechender Abstand zwischen Lichtquelle & Linse berücksichtigt werden. Aus diesen Gründen erschienen vergleichsweise dicke Linsen bisher unumgänglich.

Die virtuelle Welt muss sich schließlich authentisch genug anfühlen, um den Nutzer bei seinen Erkundungen und Interaktionen nicht gar physiologisch ins Straucheln zu bringen!

Grundlegend stellt sich für VR-Headsets die Frage, ob dünnere Linsenoptiken eingesetzt und der Abstand zwischen Linse und Display zugunsten eines leichteren Formfaktors überwunden werden können (ohne den Akkommodations-Vergenz-Konflikt zu verstärken).

Der Ansatz der Entwickler ist klar: eine kompaktere Brille für noch bessere Nutzer-Erfahrungen in VR. Dabei soll natürlich nicht auf ein überzeugendes Vollfarbdisplay verzichtet werden. Der von Facebook Reality Labs vorgestellte Ansatz setzt bei der holografischen Bildprojektion auf Laser-Hintergrundbeleuchtung plus LEDs, um die spektrale Bandbreite von 0,1-1,0 nm zu erreichen. Üblicherweise wird auf vielen Displays der sRGB-Farbraum reproduziert. Die Laser sollen hier ein noch größeres Farbspektrum ermöglichen (derzeit arbeitet der Prototyp allerdings nur monochromatisch mit Grün und einem maximalen Sichtfeld von 92×69 Grad).

Mit der polarisationsbasierten Faltung nun kann sich das Licht innerhalb der Linse sowohl vorwärts als auch rückwärts bewegen. Dieser leere Raum kann also mehrmals durchlaufen werden! Hierdurch soll das ursprüngliche Volumen auf einen Bruchteil reduziert und die Linsen direkt vor dem Display angebracht werden können.

Allerdings: so vielversprechend sich die Raum-Lösung anhört, ergeben sich an dieser Stelle auch (vorerst) neue Probleme. Durch die Faltung gehen ca. 75 Prozent des Lichts verloren. Dieser Umstand bewirkt dunkle, verwaschene Bilder bzw. Geisterbilder.

„Many practical challenges remain: we must achieve a full color display in a sunglasses-like form factor, obtain a larger viewing eye box, and work to suppress ghost images. In doing so, we hope to be one step closer to achieving ubiquitous and immersive computing platforms that increase productivity and bridge physical distance.“

Facebook Reality Lab, Research Paper: Holographic Optics for Thin and Lightweight Virtual Reality

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