Die Physik hinter dem Tragekomfort
Seit Jahren arbeiten Entwickler von smarten Datenbrillen an größeren Sichtfeldern und immer beeindruckenderen optischen Designs. Für Nutzerinnen und Nutzer steht jedoch etwas anderes im Fokus: Tragekomfort. Der nächste Durchbruch bei Smart Glasses könnte nicht das sein, was man sieht – sondern das, was man nicht spürt.
Je näher smarte Datenbrillen oder „Smart Glasses“ dem Massenmarkt kommen, desto entscheidender wird der Tragekomfort. Neue Fortschritte bei optischem Glas mit hohem Brechungsindex und niedriger Dichte helfen, den klassischen Zielkonflikt zwischen optischer Leistungsfähigkeit, Robustheit und Gewicht zu lösen.
- Wie bei herkömmlichen Brillen zählt jedes Gramm, wenn Smart Glasses den ganzen Tag angenehm auf der Nase tragbar sein sollen.
- Entwickler mussten lange zwischen optischer Leistung und Gewicht abwägen, denn bessere Bilder bedeuteten oft schwereres Glas.
- Eine neue Zusammensetzung des Glases bietet einen herausragenden Brechungsindex von 2,0 bei niedriger Dichte, ohne Einbußen bei der Transmission. So werden dünnere, leichtere Waveguides mit hoher optischer Leistungsfähigkeit möglich.
Seit Jahrzehnten verspricht Augmented Reality (AR) die menschliche Interaktion mit der Welt maßgeblich zu verändern. Navigationshinweise direkt vor unseren Augen. Echtzeit-Übersetzungen. Sofortiger Zugriff auf Informationen, ohne auf einen Handy-Bildschirm blicken zu müssen. Trotz bemerkenswerter technologischer Fortschritte haben Smart Glasses den breiten Massenmarkt bislang nicht erreicht.
Der Grund ist überraschend einfach: Die meisten Menschen möchten nicht den ganzen Tag Technologie im Gesicht tragen – vor allem dann nicht, wenn sich die Technik nicht nahtlos in den Alltag integriert. Ganz gleich, wie beeindruckend die Demonstrationen oder wie immersiv die visuellen Erlebnisse sind: Der Durchbruch im Massenmarkt hängt vom Komfort ab. Von Technologie, die sich weniger wie ein Gerät anfühlt und mehr wie ein natürlicher Teil des Alltags. Das war bei Smartphones so, ist aktuell bei Wearables so, und wird bei smarten Datenbrillen genauso sein.
Diese einfache Wahrheit macht die größte Herausforderung der Branche deutlich: Wie lässt man Technologie verschwinden?
Wie Materialwissenschaft dünnere, leichtere AR-Waveguides und Datenbrillen ermöglicht
Im Bereich AR lag der Fokus lange darauf, die Grenzen der technischen Leistungsfähigkeit immer weiter zu verschieben. Entwickler arbeiteten daran, das Sichtfeld zu vergrößern, die Bildqualität zu verbessern und immersivere visuelle Erlebnisse zu schaffen. Jeder Fortschritt brachte Vorteile. Allerdings stets zu einem gewissen Preis, der von den Gesetzen der Physik bestimmt wird.
Besonders deutlich wird dieser Zielkonflikt beim Sichtfeld, dem „Fenster“, durch das Nutzerinnen und Nutzer digitale Inhalte auf die reale Welt projiziert sehen, wenn sie Datenbrillen tragen. Dieses Fenster wäre ohne den Wellenleiter oder „Waveguide“ nicht möglich. Dabei handelt es sich um das zentrale optische Bauteil, das aufgrund der herausragenden Eigenschaften von Glas vornehmlich aus diesem Werkstoff gefertigt ist. Der Waveguide leitet das Licht aus einer Lichtquelle, quasi dem Projektor, durch die Linse und projiziert digitale Bilder in das Sichtfeld der tragenden Person.
Je größer optische Designer und Entwickler dieses Fenster machen wollten, desto schneller stießen sie auf materialtechnische Grenzen. Waveguides bestehen in der Regel aus Spezialglas, einer spezifischen Mischung aus Sand, Metalloxiden und weiteren, streng geheimen Bestandteilen. Durch die präzise Anpassung von Mischverhältnissen und Herstellungsprozessen können Glas-Entwickler Eigenschaften gezielt auf die Anforderungen ihrer Kunden abstimmen.
Um das Sichtfeld – auch „Field of View“ oder kurz „FOV“ genannt – zu vergrößern, muss häufig die Konzentration bestimmter Metalloxide gesteigert werden, um einen höheren Brechungsindex zu erreichen. Mehr Metall bedeutet jedoch eine höhere Dichte – und damit letztlich mehr Gewicht.
Eine Möglichkeit, dieses Gewicht zu reduzieren, besteht darin, das Glas dünner zu machen. Doch auf minimale Dicke optimierte Designs beeinträchtigen die Robustheit und die optische Auslegung. Wer eine Eigenschaft verbessert, muss oft an anderer Stelle Abstriche machen. Ein Zielkonflikt führte zum nächsten.
Die Branche stand damit vor einem bekannten technischen Dilemma: Wie lassen sich Smart Glasses leistungsfähiger machen, ohne dass sie schwerer oder zu empfindlich für den Alltag werden?
Grenzen verschieben
Genau dieser Herausforderung stellte sich ein kleines Wissenschaftsteam von SCHOTT bei der neuesten Weiterentwicklung der SCHOTT RealView® Plattform für Glaswafer mit hohem Brechungsindex. Anstatt einen klassischen Kompromiss zwischen größerem Sichtfeld, leichtem Design und mechanischer Robustheit hinzunehmen, konzentrierte sich das Team darauf, alle drei Dimensionen gleichzeitig zu verbessern.
„Es war spannend, zu hinterfragen, ob der Kompromiss wirklich festgeschrieben ist – oder ob das Glas selbst Entwicklern mehr Spielraum eröffnen kann“, sagt Dr. Sebastian Leukel, Principal Expert Glass Development bei SCHOTT. „Durch die Kombination von Fortschritten bei den Glaswerkstoffen und der Präzisionsverarbeitung konnten wir ein verbessertes Seherlebnis ermöglichen und gleichzeitig die für Produkte des täglichen Gebrauchs wichtigen Eigenschaften wie geringes Gewicht und mechanische Stabilität bewahren. Dieses Ziel zu erreichen, war extrem anspruchsvoll und hat uns Jahre gekostet. Ich erinnere mich noch sehr gut: Vor allem die Qualität des Glases war in der ersten Schmelze ein großes Fragezeichen. Zum Glück brauchten wir nicht allzu viele Schmelzversuche, sodass wir schnell mit der Optimierung der hochpräzisen Nachbearbeitung fortfahren konnten.“
Dieses Gleichgewicht zu finden, erforderte Expertise, die weit über die Optik allein hinausgeht. Materialwissenschaft und Fertigungs-Know-how beeinflussen, ob ein Bauteil nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch in einem Produkt, das für den täglichen Einsatz gedacht ist.
„Das Ergebnis unseres Entwicklungsprozesses“, so Sebastian weiter, „ist ein neuer leichter Glaswafer mit hohem Brechungsindex von 2,0, der größere Blickwinkel unterstützt und zugleich eine hohe Transmission, geringes Gewicht und mechanische Stabilität bietet, die für Produkte im Alltag erforderlich sind.“
Durch die Kombination von Fortschritten bei den Glaswerkstoffen und der Präzisionsverarbeitung konnten wir ein verbessertes Seherlebnis ermöglichen und gleichzeitig die für Produkte des täglichen Gebrauchs wichtigen Eigenschaften wie geringes Gewicht und mechanische Stabilität bewahren.
Der neue Glastyp basiert auf einer speziellen Zusammensetzung, die es ermöglicht, das Glas dünner zu machen, ohne dass der hohe Brechungsindex, die mechanische Stabilität und die optische Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden. Die Blaulicht-Transmission des Glases beträgt bei einer Wellenlänge von 460 nm und einer optischen Weglänge von 10 mm über 96 Prozent.
Für Waveguides ist diese Kombination entscheidend. Dünneres Glas mit geringerer Dichte hilft dabei, Gewicht zu reduzieren. Ein hoher Brechungsindex unterstützt größere Sichtfelder.
Wie man Technologie verschwinden lässt
Damit Smart Glasses und Augmented Reality Teil des Alltags werden können, müssen die Geräte mehr leisten als nur gut zu funktionieren. Sie müssen sich natürlich anfühlen. Das hat die Akzeptanz neuer Technologien in der Vergangenheit immer wieder gezeigt.
Smartphones wurden unverzichtbar, weil sie sich natürlich in tägliche Routinen integrierten. Kabellose Kopfhörer setzten sich durch, weil sie kleiner, leichter und angenehmer zu tragen waren.
Smart Glasses dürften einen ähnlichen Weg gehen. Ihre Zukunft wird nicht von einer einzelnen Spezifikation bestimmt. Sichtfeld, Bildqualität, Gewicht, Robustheit und Design zählen alle gleichermaßen. Die größere Herausforderung liegt darin, diese Anforderungen in einem Formfaktor zusammenzuführen, der sich weniger wie ein technisches Gerät anfühlt und eher wie eine normale Brille – etwas, das Menschen bequem von morgens bis abends tragen können.
Die Gesetze der Physik definieren die Grenzen des Möglichen. Materialwissenschaft hilft Ingenieuren, innerhalb dieser Grenzen zu arbeiten. Durch die gezielte Anpassung von Zusammensetzung und Verarbeitung können Technologien wie SCHOTT RealView® 2.0 lightweight Entwicklern helfen, einen physikalischen Kompromiss zu überwinden, der lange als unvermeidbar galt.
Dabei handelt es sich um eine Innovation, die die meisten Nutzerinnen und Nutzer nie sehen oder spüren werden. „Der nächste Durchbruch bei Datenbrillen ist vielleicht nicht etwas, das Nutzer wahrnehmen“, sagt Sebastian. „Sondern der Moment, in dem sie vergessen, dass die Brille überhaupt da ist.“
