Das optische Integral-Faser-AR-Design

IntegralFiberDesign SqDas Integral-Glasfaser-AR-Design für minimalistische AR-Brillen ist das Fundament der AR-Blockchain-Revolution und wird in den Erklär-Videos ausführlich beschrieben. Solange noch keine ausführliche Video-Dokumentation des Proof of Concepts zur Verfügung steht, wird in dieser Collage mit externen YouTube-Videos das Verständnis für den Beweis aufgebaut. Die im Integral-Faser-Design eingesetzten physikalischen Grundsätze sind jedoch so neu und unbekannt, dass nur wenige Videos darüber öffentlich verfügbar sind.

 

Zuerst nochmals das Einführungs-Video über die Integral-Faser-Technologie in verkürzten 8 Minuten und in Englisch. Danach die einzelnen Konzepte in externen Videos.

 

Das optische System des Lochblenden-Integralbildes ist das erste grundlegende physikalische Prinzip, welches in dem folgenden Video gut visualisiert wird. Im Video kann man schön sehen, wie das Bild nur aus einem Raster von winzigen Punkten austritt und die meiste Fläche eigentlich nur schwarz ist. Bei dem Integral-Faser-Design sind diese Punkte die Glasfaserenden und die schwarze Fläche das durchsichtige Brillenglas. Die Überlappungen des Kreises werden bei der AR-Brille abgeschnitten, um ein homogenes Bild zu erhalten.
Im Folgenden die Visualisierung von Nvidea.IFD Lightfield2

Das optische System des unsichtbaren Kanals in einem Glas ist seit seinem wissenschaftlichen Durchbruch in 2006 bekannt, jedoch in der Praxis ungenutzt. Für das optische KaraSpace-Integral-Faser-Design ist es jedoch ein essenzieller Bestandteil für den Durchbruch der Mainstream-Augmented-Reality, weil die feine Hardware im Glas komplett verborgen werden kann und somit ein rahmenloses Brillendesign für absolute Sozialverträglichkeit ermöglicht. Das Prinzip ist in einem dichten optischen Medium wie Glas einfach anwendbar, indem um den verborgenen Kanal der Beugungsindex in Stufen stark abnimmt. Die Forscher konzentrieren sich jedoch auf das unsichtbar machen in der normalen Atmosphäre, was jedoch für normales Licht momentan noch unmöglich ist und so den ganzen Forschungsbereich diskreditiert.
Hier ein Statement von Professor Sir John Pendry, einem hoch angesehenen Physiker aus England.Sketch9

Das fundamentalste und neuste optische Konzept für AR-Brillen ist der Multi-Mode-Glasfaser-Projektor, der ein ganzes Bild in höchster Geschwindigkeit durch eine einzige dünne Glasfaser transportieren kann.
Hier eines der wenigen Videos über Multimode-Glasfaser-Projektoren von Joel Carpenter aus Sidney, die das Prinzip verständlich visualisieren. In diesem Fall nur mit 45 Moden bei einer Wellenlänge 1550 nm, weil das Forschungsteam nur Hardware für Kommunikationstechnologien zur Verfügung hat. Für AR haben die Fasern dann viele tausend Moden im sichtbaren Licht-Sprektrum. Man kann durch Ansicht des Videos gut verstehen, wie durch Modendrehungen das Auflösungspotential der Glasfaser durch mehrere Bildzyklen gesteigert werden kann.
IFD Amplitude Phase

Die Schlüssel-Technologie für die AR-Brille ist die bereits sehr ausgereifte MEMS-Fertigungstechnik, mit der optische Weichen und Spiegelfelder mit integrierter IC-Logik für die AR-Brille auf kleinsten Stäbchen realisiert werden können. Diese Hardware kann dann in optisch getarnten Bereichen im Glas positioniert werden. Zur Veranschaulichung, hier die Beschreibung eines MEMS-Gyroskops.

IFD Mems Sripes

Die Technologie zur Erzeugung der Bilder ist die ausgereifte DMD-MEMS-Technik, die aus nochmals viel kleineren beweglichen Einzelspiegeln in einem großen Feld besteht. Diese Spiegelfelder können über 30.000 Bilder in der Sekunde erzeugen, welche für die vielen einzelnen Bilder des Integralbildes benötigt werden. Für die AR-Brille werden die Grautöne durch andere optische Systeme erzeugt, sodass die vielen Zyklen nur für die Einzelbilder und die drei Farbzyklen gebraucht werden. Auch werden keine Farbräder wie im Video genutzt, sondern eigens dafür angebrachte DMD-Felder, sodass die von der DMD-Technik bekannten Farb-Artefekte nicht mehr auftreten.IFD DMD1

Zur Generierung der Bilder wird die Technik der komplex modellierten computergenerierten Holographie genutzt, wie im folgenden Video schön beschrieben. Das Integral-Faser-AR-Design generiert also Hologramme, die durch SLM-Chips generiert werden, welche sowohl die Amplitude sowie die Phase modulieren können. Außerdem werden komplexere Lichtfronten zur Beleuchtung des SLM-Chips genutzt, was extrem gute Hologramme ermöglicht. Jedoch werden die Hologramme durch die Integral-Glasfasern transportiert, und dafür die Holographie zusätzlich zur Wellenfront-Umformung gemäß der Glasfaser-Transmissionsmatrix genutzt. Dieses schöpft das Potenzial dieser genialen Technologie zusätzlich aus. Das Video bestätigt außerdem unsere eigenen Ergebnisse, dass die Hologrammberechnung extrem optimiert und in Echtzeit gerechnet werden kann.
Sketch13

Die Produktionstechnik der Wafer Level Optics ermöglicht das Aufbringen feinster optischer Strukturen direkt auf den Microchip. Diese Technik wird ergänzt durch das 3D-Drucken feinster Optiken zum Beispiel auf die Spitze der Glasfaser. Das Video zeigt solch einen Druck mit dem Nanoscribe-Drucker.
IFD Mems Sripes

Die Augenverfolgung mit der IR-Kamera ist die Grundvoraussetzung für extreme Auflösung der AR-Brille, weil nur der gerade fokussierte Bereich hoch aufgelöst dargestellt wird. Im Video wird Zuverlässigkeit und Ausgereiftheit dieser Technologie visualisiert.Sketch12

Foveated rendering bedeutet, dass nur die tatsächlich fokussierten Bereiche hoch aufgelöst berechnet werden, wogegen die Peripherie nur niedrig aufgelöst bleibt. Bei der AR-Brille baut die gesamte Hardware auf dieser Strategie auf, indem die einzelnen Bildausschnitte in verschiedenen Auflösungen angesteuert, oder gar nicht genutzt werden. Das Video visualisiert dieses Konzept in einem geschlossenen VR-Headset.IFD Foved1

Zum Verständnis der Überlegenheit des Integral-Faser-Designs, gegenüber den anderen optischen AR-Systemen, hier eine Darstellung des Bild-Einmischverfahrens. Der Ort, an dem das reale Bild (blau) und das virtuelle Bild (rot) miteinander kombiniert werden (der Combiner) ist bei den bisherigen Systemen entweder eine Teilspiegelfläche (erstes Bild, Meta 2) oder eine strukturierte Fläche mit feinen optischen oder holographischen Strukturen (zweites Bild, Hololens). Dafür wird die gesamte Durchsichtsfläche genutzt. Bei dem Integral-Faser-Design werden nur einzelne Punkte genutzt, die erst durch die Breite der Pupille zu einem flächigen Bild werden (drittes Bild). Das Kombinieren der Bilder entsteht an keiner Fläche, sondern durch das nur punktuelle Einblenden in die Augen-Linse selbst. Dies hat große Vorteile, weil die Combiner-Fläche immer auch unerwünschte Effekte wie Doppelspiegelung oder Streulicht mit sich bringt. Das Integral-Faser-Design bietet somit perfekt transparente Durchsicht ohne jegliche fehlgeleitete Lichteffekte. Zusätzlich bietet das erzeugte Bild extreme Schärfentiefe, was die Problematik der Fokus-Anpassung an die Realität stark vereinfacht. (Focus Vergenz Anpassung)

Weitere ausführlichere Erklär-Videos finden man hier!

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