Różnica między soczewkami typu pancakes a obecnymi soczewkami fresnela w zestawach VR

Co łączy HTC Vive Flow, Pico 4 Ultra i Quest 3 od Meta? Oprócz stylowej i cienkiej konstrukcji, technologia soczewek Pancake. Jakie są więc różnice między optyką Pancake a obecnymi soczewkami wirtualnej rzeczywistości i co to oznacza dla przyszłości VR HMD?

Obecne soczewki Fresnela

Kiedy konsumenci i przedsiębiorstwa, które nie zainwestowały w strumienie wiadomości VR/AR, myślą o urządzeniach HMD wirtualnej rzeczywistości, myślą o nieporęcznych pudełkach po butach przypiętych do głowy. Jest to prawda, mimo że działy projektowe próbowały ominąć tę barierę wejścia od czasu odrodzenia się VR w 2012 roku. Nawet entuzjaści technologii i eksperci branżowi znają mnóstwo szczegółów dotyczących wyświetlaczy w zestawach VR: jaka jest gęstość pikseli na cal? Czy częstotliwość odświeżania jest wysoka? Jak dokładne są kolory na ekranie? I tak dalej. Ale podczas gdy wyświetlacz jest kluczowy, równie ważne jest uderzenie szkła lub plastiku.

Soczewki Fresnela działają tak samo jak latarnie morskie, kierując i wzmacniając istniejące źródło światła. Ich korzenie sięgają początku XIX wieku i zostały stworzone przez Augustina Fresnela: „wynalazek, który uratował milion statków”. Soczewka działa jak pierścień krystalicznych pryzmatów ułożonych w fasetowaną kopułę przypominającą ul, odbijając załamane światło.

Mówiąc najprościej, obecne urządzenia HMD do rzeczywistości wirtualnej są jak ekran latarni morskiej przypięty do twarzy. Jest to coś, co naturalnie wymaga znacznej przestrzeni między wyświetlaczem a samą soczewką Fresnela. W konsekwencji zwiększa to masę zestawu słuchawkowego i jego rozmiar.

Pojawienie się konstrukcji obiektywu Pancake

W technologii istnieje fakt, że technologia staje się coraz bardziej przystępna cenowo i stara się być bardziej kompaktowa. Te dwa naturalne prawa dotyczą zarówno smartfonów, laptopów, chipów, zestawów VR i AR.

Rzeczywistość rozszerzona dąży do przystępności cenowej i cienkości, i jest napędzana przez iteracje nowatorskiego projektu falowodu. Przyszłe urządzenia HMD do rzeczywistości wirtualnej będą prawdopodobnie napędzane przez technologię soczewek Pancake.

Sama technologia Pancake nie jest niczym nowym. Społeczność wojskowa i naukowa korzystała z optyki Pancake na wiele lat przed przyjęciem jej przez rzeczywistość wirtualną. Po raz pierwszy zobaczyliśmy prototyp zestawu słuchawkowego Pancake VR w 2015 roku od eMargin, a Kopin, wiodący deweloper komponentów do zestawów słuchawkowych do noszenia, kontynuował swoją iterację w 2017 roku, zwaną Kopin Elf.

Chociaż ostatnio Huawei, HTC, Pico i EM3 wypuściły komercyjne zestawy słuchawkowe lub pokazały koncepcyjne przykłady tego, co jest możliwe. Zasadniczo, VR HMD z obsługą Pancake zmieniają nieporęczne postrzeganie wirtualnej rzeczywistości w stylowe symbole mody o cieńszej i lżejszej konstrukcji, dzięki czemu wirtualna rzeczywistość jest bardziej dostępna dla wczesnej większości konsumentów.

W efekcie rynek VR rozszerza się z korzyścią dla wszystkich w branży. Oczywiście im większy rynek, tym bardziej zaawansowana i innowacyjna staje się VR/AR i tym lepsza staje się branża.

Różnice między soczewkami Pancake i Fresnel i co to wszystko oznacza?

Kopin ogłosił w połowie czerwca 2021 r. całkowicie plastikową konstrukcję soczewki Pancake o nazwie P95, wyjaśnioną przez dr Johna C.C. Fana, dyrektora generalnego i założyciela Kopin Corporation, jako „specjalnie zoptymalizowaną do użytku z naszymi mikrowyświetlaczami OLED o wysokiej jasności 2,6K x 2,6K. Ta nowa technologia byłaby idealna dla VR”, kontynuując, że ”ten ważny przełom stanowi kamień milowy dla wschodzących rynków VR. Nieporęczne, ciężkie zestawy słuchawkowe przez wiele lat stanowiły główną barierę dla szybszego przyjęcia przez konsumentów”.

Porównując soczewki Fresnela i Pancake, należy wziąć pod uwagę kilka czynników. Skąd pochodzi światło ekranu i kształt soczewki. Czas wejścia do obiektywu i czas wyjścia z niego. A także długość fali (kolor) samego światła.

Optyka Fresnela charakteryzuje się szerokim polem widzenia w porównaniu do Pancake, ale jest podatna na aberracje chromatyczne (zjawy / nakładające się kolory). Co więcej, kalibracja oprogramowania wymagająca mocy obliczeniowej musi uwzględniać zniekształcenie soczewki Fresnela znane jako „zniekształcenie poduszkowe”. Zniekształcenie to przypomina rozciągnięcie obrazu we wszystkich czterech rogach. Oprogramowanie musi następnie sztucznie rozciągnąć obraz, aby znormalizować to, co widzi użytkownik, a wszystko to w czasie rzeczywistym.

Pancake, z drugiej strony, działa poprzez złożenie wielu soczewek w krzywą, odbijając światło w szkle lub plastiku. W efekcie zmniejsza się odległość między oczami użytkownika a wyświetlaczem. Dzięki temu urządzenia VR HMD mogą być cieńsze i lżejsze, a także uwalniają moc obliczeniową, ponieważ problem zniekształceń w przypadku Pancake nie występuje. Wreszcie, konstrukcja Pancake nie ma aberracji chromatycznej, tak jak Fresnel.

Wadą optyki Pancake, w porównaniu do Fresnela, jest odbijanie światła w samym obiektywie, co skutkuje niską efektywnością świetlną. Krótko mówiąc, przyciemnia to postrzegany przez użytkownika obraz i dlatego John C.C. Fan, założyciel Kopin, wskazał, że obiektyw P95 Pancake działa dobrze z „mikro wyświetlaczami o wysokiej jasności”. Co więcej, problem zjawy jest również plagą dla obiektywu Pancake.

Podsumowując, obiektyw Pancake ma więcej zalet niż wad w porównaniu do obiektywu Fresnela, zarówno pod względem postrzeganej jakości obrazu, jak i znacznie smuklejszej i lżejszej obudowy, którą umożliwia obiektyw Pancake.

Wnioski

Podobnie jak rzeczywistość rozszerzona, VR jest na drodze do smuklejszej i lżejszej przyszłości. Filozofia projektowania, rozszerzająca rynek VR, ponieważ zwykli konsumenci będą zainteresowani przyjęciem VR HMD. W efekcie doprowadzi to do dojrzewania rynku rzeczywistości wirtualnej i rozszerzenia usług dodatkowych, napędzając technologię.

Najlepszym wskaźnikiem tego trendu była premiera HTC Vive Flow, skupiająca się na stylowym wyglądzie, szerszym segmencie klientów i zróżnicowaniu elementów nietechnicznych, takich jak medytacja.

Podstawową technologią stojącą za tym trendem jest konstrukcja soczewki Pancake, która sama w sobie nie jest niczym nowym, ale rewolucyjnym w VR HMD. Wprowadzi stylowe projekty, które przyciągną szerszą publiczność i będą w stanie odłączyć się od urządzeń zewnętrznych, takich jak laptop lub smartfon.

Rok 2022 i kolejne lata będą czasem, w którym rzeczywistość wirtualna dojrzeje zarówno pod względem sprzętu, jak i przypadków użycia, a technologia, o której nie mówi się wystarczająco dużo, konstrukcja optyki Pancake, jest tego czynnikiem.