Что такое дополненная реальность
Дополненная реальность — это технология, которая позволяет наложить виртуальное изображение на реальное окружение. Например, с помощью специальных очков можно увидеть на столе трехмерную модель здания или посмотреть на экране смартфона, как будет выглядеть новая мебель в комнате. Дополненная реальность может быть полезна в разных сферах: образовании, медицине, развлечениях, рекламе и т. д.
Для создания дополненной реальности нужны два основных компонента: проектор и оптический модуль. Проектор генерирует виртуальное изображение и направляет его на оптический модуль. Оптический модуль — это устройство, которое объединяет свет от проектора и свет от окружающего мира и выводит их на глаз пользователя.
Как работает оптический модуль
Оптический модуль состоит из специальной пластины с дифракционными решетками. Дифракционные решетки — это периодические структуры, которые изменяют направление световых лучей в зависимости от их длины волны. Дифракционные решетки выполняют две функции: они перенаправляют свет от проектора к глазу пользователя (ввод) и пропускают свет от окружающего мира к глазу пользователя (вывод).
Существующие оптические модули обычно создаются на основе волноводов с дифракционными решетками на поверхности. Это означает, что свет от проектора распространяется по тонкой пластине и выходит через специальные структуры на ее краях. Такие модули имеют несколько недостатков: они тяжелые, сложные в изготовлении и создают блики.
Что нового в подходе ИТМО
Ученые ИТМО предложили альтернативный способ: использовать объемную голографию для записи дифракционных решеток внутри стекла. Объемная голография — это метод записи трехмерного изображения в объемном материале с помощью двух лазерных лучей.
Благодаря этому новый оптический модуль имеет ряд преимуществ перед волноводными аналогами:
- состоит из одной пластины толщиной 1 мм, поэтому он легкий и компактный.
- выдерживает температуры до 200°C и устойчив к механическим и химическим воздействиям.
- не создает бликов и обеспечивает высокое качество изображения.
- может работать с разными длинами волн света без потери эффективности.
- может передавать полноцветное изображение (RGB) с помощью одной пластины.
Как проводился эксперимент
Для создания оптического модуля ученые ИТМО использовали стеклянную пластину с добавлением оксидов серебра и церия. Эти элементы делают стекло чувствительным к лазерному излучению. С помощью двух лазерных лучей ученые записали дифракционную решетку в объеме стекла. Затем они активировали решетку тепловой обработкой при 500°C.
Для проверки работы оптического модуля ученые подключили его к проектору и наблюдали за тем, как он выводит изображение на экран. Они также измеряли эффективность перенаправления света при разных углах падения и длинах волн.
Результаты эксперимента показали, что оптический модуль работает стабильно при температуре до 200°C и не теряет своих свойств при механическом изгибе или химическом воздействии. Кроме того, он обладает высокой эффективностью перенаправления света (более 80%) для всех видимых длин волн.
Где можно применить
Новый оптический модуль может быть использован в разных устройствах дополненной реальности. Например, он может быть интегрирован в очки дополненной реальности для разных целей: обучения, контроля, навигации и т. д. Такие очки могут быть более удобными, надежными и безопасными для работы в разных средах: на складах, на производстве, на стройке и т. д.
Также новый оптический модуль может быть использован в качестве приборной панели на лобовом стекле автомобилей или самолетов. На такую панель можно выводить разную информацию: скорость, направление, карту местности и т. д. Это может улучшить видимость и безопасность вождения или полета.
Ученые ИТМО планируют продолжить развитие нового подхода к созданию оптических модулей для дополненной реальности. Они хотят увеличить поле зрения модуля, чтобы передавать большее изображение, а также сделать его более адаптивным к разным проекторам.
В следующем году мы планируем добиться полноцветного изображения за счет увеличения количества голограмм и сделать более широкое поле зрения волновода. Благодаря этому волновод сможет передавать изображение большего размера. Мы предполагаем, что в будущем система может стать не просто ассистентом и указателем, но и, например, полноценной AR-средой проектирования для 3D-объектов. Совместно со схемотехниками и программистами мы планируем сделать дисплей, «железо» и другие компоненты для оптического модуля
— ведущий исполнитель проекта, инженер научно-исследовательского центра световодной фотоники Сергей Иванов.
Проект реализован в научно-исследовательском центре оптического материаловедения ИТМО под руководством профессора, директора научно-исследовательского центра оптического материаловедения Николая Никонорова.
