Centrarse en AR/VR: visualización cercana al ojo basada en met

Una nueva publicación de Ciencia optoelectrónica; DOI 10.29026/oes.2023.230025 analiza la visualización cercana al ojo basada en dispositivos de metasuperficie.

Con el auge del metauniverso, las tecnologías de realidad virtual (VR) y realidad aumentada (AR) se han desarrollado rápidamente en los últimos años. Las pantallas cercanas al ojo son tecnologías cruciales para la realidad virtual y la realidad aumentada. A pesar de los rápidos avances en las tecnologías de visualización cercana al ojo, todavía existen desafíos como el gran campo de visión (FOV), la alta resolución, la alta calidad de imagen, el efecto 3D natural y libre y el factor de forma compacto. Se han dedicado grandes esfuerzos a lograr un equilibrio entre el rendimiento visual y la compacidad del dispositivo. Si bien la óptica tradicional se está acercando a sus limitaciones para abordar estos desafíos, la óptica de metasuperficie ultrafina, con sus altas capacidades de modulación de la luz, puede presentar una solución prometedora.

Con el desarrollo de la tecnología de metasuperficies, se han aplicado nuevos dispositivos de metasuperficie para sistemas de visualización de ojos cercanos AR/VR. Para resumir el progreso de la metasuperficie para aplicaciones de visualización cercana al ojo en los últimos años, un equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghai revisó los últimos avances de la visualización cercana al ojo basada en dispositivos de metasuperficie.

Como se muestra en la Figura 1, las tecnologías de visualización cercana al ojo han experimentado un rápido desarrollo durante las últimas seis décadas desde la introducción del primer dispositivo AR HMD en la década de 1960. Dispositivos familiares como Hololens y Apple Vision Pro están revolucionando nuestras vidas. En 2018, se propusieron por primera vez dispositivos de metasuperficie para pantallas cercanas al ojo. Las metasuperficies, elementos planos ultrafinos que consisten en antenas de longitud de onda inferior, ofrecen capacidades de modulación superiores para la amplitud, la fase y el estado de polarización de la luz, superando a la óptica refractiva y difractiva convencional. Se han realizado extensas investigaciones sobre dispositivos ópticos de metasuperficie, incluidas rejillas, lentes y hologramas. Las metasuperficies son candidatos prometedores como componentes clave en pantallas cercanas al ojo para reemplazar ópticas convencionales voluminosas o permitir funcionalidades novedosas, allanando el camino para las tecnologías AR y VR de próxima generación.

En esta revisión, los autores presentan primero las pantallas de visión cercana VR y AR, y luego explican brevemente los principios de funcionamiento de las metasuperficies moduladoras de luz, revisan los desarrollos recientes en dispositivos de metasuperficie orientados a aplicaciones de visualización de visión cercana, profundizan en varias superficies 3D naturales avanzadas cerca del ojo. -Tecnologías de visualización ocular basadas en metasuperficies. La arquitectura de una pantalla de realidad virtual es relativamente sencilla y está compuesta por dos componentes funcionales principales: la fuente de imagen y el ocular. En teoría, los dispositivos de metasuperficie podrían servir como fuente de imagen o como ocular. Sin embargo, para las pantallas de realidad virtual, la fuente de imagen debe proporcionar imágenes a todo color, de gran tamaño y con velocidad de vídeo para crear un entorno virtual inmersivo. Este requisito supera la capacidad de las metasuperficies de última generación. Por lo tanto, la aplicación de metasuperficies en pantallas de realidad virtual se limita principalmente a funcionar como ocular.

Dada su funcionalidad versátil, su alto rendimiento óptico y sus factores de forma ultradelgados, las metasuperficies se han propuesto como componentes ópticos críticos en varias arquitecturas de pantallas AR. Pueden funcionar como oculares, combinadores y más, sustituyendo ópticas voluminosas tradicionales o integrando nuevas funcionalidades ópticas avanzadas, para lograr pantallas AR con FOV más compactas y livianas, de alta calidad de imagen y de gran tamaño. Los autores revisaron las aplicaciones de metasuperficies en diferentes arquitecturas de RA, basadas en divisores de haz, guías de ondas y proyección directa. Como se muestra en la Figura 2, un visor multifuncional puede actuar simultáneamente como un ocular para la luz de la imagen virtual oblicua y como un combinador que refleja la luz de la imagen virtual en el ojo del espectador mientras transmite luz del entorno real.

Las metasuperficies tienen un gran potencial para aplicaciones en pantallas cercanas al ojo VR y AR para mejorar el rendimiento de las imágenes, ampliar el campo de visión o aumentar la compacidad. Sin embargo, la mayoría de las pantallas cercanas al ojo todavía emplean tecnología de visualización 3D estereoscópica, lo que puede provocar conflictos de vergencia-acomodación (VAC) y fatiga visual. Para abordar este problema, se han propuesto enfoques de visualización 3D natural, incluida la visualización de visualización Maxwelliana, la visualización holográfica, la visualización de campo de luz y las visualizaciones focales múltiples/variables. Gracias a la versatilidad de las metasuperficies, los dispositivos de metasuperficies se han empleado como elementos ópticos importantes en estas pantallas 3D cercanas al ojo avanzadas para ayudar a aliviar la fatiga visual y proporcionar una experiencia visual 3D más natural. La Figura 3 muestra una pantalla de visión cercana al ojo de Maxwell que puede proporcionar imágenes virtuales sin acomodación utilizando un holograma de metasuperficie de Huygens como dispositivo de visualización.

Esta revisión proporciona una descripción general extensa de los avances recientes en las aplicaciones de metasuperficies para pantallas cercanas al ojo. Gracias a sus factores de forma ultradelgados y su flexibilidad excepcional en la modulación de la luz, las metasuperficies ofrecen una solución prometedora para el desarrollo de auriculares VR/AR compactos y livianos.

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El grupo Yan Li de la Universidad Jiao Tong de Shanghai se ha comprometido con el campo de la exhibición. Sus intereses de investigación incluyen pantallas AR/VR, dispositivos de cristal líquido, pantallas 3D, etc. En el campo de la visualización, el equipo ha ganado muchos premios por trabajos de estudiantes distinguidos, premios por trabajos distinguidos en la conferencia ICDT y el premio JSID por trabajos de estudiantes destacados, y ha publicado más de 100 artículos en el campo de la visualización y la óptica.

Yan Li, profesor asociado y becario Chenxing de la Universidad Jiao Tong de Shanghai. Sus intereses de investigación incluyen pantallas de realidad aumentada, pantallas 3D, dispositivos de cristal líquido, etc. Ha publicado más de 100 artículos en revistas y congresos en las áreas de óptica y display. Se ha desempeñado como miembro del comité técnico de conferencias internacionales, incluidas SID Display Week, SPIE Photonics West y la Conferencia Internacional sobre Tecnología de Visualización. Ha sido editora asociada de Optics Express y actualmente es editora asociada de IEEE Photonics Journal y Journal of Society for Information Display.

Xiaojin Huang, Universidad Jiao Tong de Shanghai, Ph.D. Estudiante del Departamento de Ingeniería Electrónica. Sus intereses de investigación incluyen dispositivos de cristal líquido y su aplicación en pantallas AR.

Shuxin Liu, postdoctorado de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, sus intereses de investigación incluyen dispositivos de cristal líquido, tecnología de visualización AR/VR, etc. Ha publicado más de 20 artículos del SCI en el campo de la visualización. Actualmente es editor invitado de Crystals.

El Dr. Haowen Liang es profesor asociado en la Facultad de Física de la Universidad Sun Yat-sen. Sus intereses de investigación incluyen imágenes ópticas mediante metalenses, realidad virtual y realidad aumentada, e imágenes de dispersión óptica. Publica más de 40 artículos académicos en revistas reconocidas por SCI, incluidas PhotoniX, Nano Letters, Optica, Laser & Photonics Reviews y Photonics Research. Su investigación sobre metales de silicio de apertura numérica ultraalta es reconocida como OPTIC 2018 por Optica (anteriormente OSA).

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Ciencia optoelectrónica (OES) es una revista internacional, interdisciplinaria, de acceso abierto y revisada por pares publicada por el Instituto de Óptica y Electrónica de la Academia China de Ciencias como revista hermana de Avances optoelectrónicos (OEA, FI=9,682). OES se dedica a proporcionar una plataforma profesional para promover el intercambio académico y acelerar la innovación. OES publica artículos, reseñas y cartas sobre los avances fundamentales en la ciencia básica de la óptica y la optoelectrónica.

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Li Y, Huang XJ, Liu SX, Liang HW, Ling YY et al. Metasuperficies para aplicaciones de visualización cercana al ojo. Ciencia con optoelectrones 2, 230025 (2023). doi: 10.29026/oes.2023.230025