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So ticken die AR-Brillen von Morgen

Augmented Reality (AR) lässt reale und virtuelle Welt miteinander verschmelzen. Das ist nicht weniger faszinierend als technisch aufwendig – speziell bei den immer beliebter werdenden AR-Brillen. Unterstützung erhalten Hersteller solcher Hightech-Brillen bei LightTrans in Jena. Das Unternehmen entwickelt und vertreibt eine spezielle Optiksoftware zur Modellierung und Simulation.

 

Wie sehen wir die Welt?

Das Verschmelzen von realer und virtueller Welt gestaltet sich speziell bei AR-Brillen hoch kompliziert. Die Anforderung: Wie kommen die virtuellen Bildinformationen so ins Auge, dass dort ein klares, scharfes Bild entsteht, die reale Welt gleichzeitig aber weiterhin ungetrübt wahrgenommen werden kann, wie sie ist?

Software für die hohe Kunst
der optischen Physik

Antworten sind in Jena zu finden. Die Universitätsstadt in Thüringen gilt als das Optik-Zentrum schlechthin, steht sie doch in der Tradition von Carl Zeiss, Otto Schott und Ernst Abbe. Hier ist nicht nur SCHOTT mit einem Werk für die Glasproduktion angesiedelt, sondern auch LightTrans beheimatet. Das aufstrebende Unternehmen hat die Software VirtualLab Fusion entwickelt, die optische Elemente und Systeme mithilfe von schnellen Rechenmodellen der physikalischen Optik simuliert und optimiert.

„Wir sehen uns als Trendsetter in
elektromagnetischer
Modellierung und Design.“

Professor Dr. Frank Wyrowski, Präsident von LightTrans und Leiter der Applied Computational Optics Group an der Universität Jena

Christian Hellmann, CEO der Wyrowski Photonics (rechts), probiert zusammen mit SCHOTT Wissenschaftler Dr. Frank-Thomas Lentes eine AR-Brille aus.
Mit der Software VirtualLab Fusion lassen sich verschiedenste optische Systeme exakt und schnell modellieren.

„Mit unserer Software VirtualLab Fusion lässt sich nicht nur die Lichtausbreitung in modernen optischen Systemen simulieren, vielmehr vereint sie obendrein verschiedene Simulationsmodelle auf einer Plattform.“
Professor Dr. Frank Wyrowski, LightTrans

AR boomt

Große Begeisterung und einen internationalen Hype löste vor zwei Jahren das Smartphone-Spiel Pokémon Go aus. Neue Welten eröffnen sich aber inzwischen längst nicht mehr nur im Gaming-Bereich. Innovative Anwendungen rund um die erweiterte Realität haben das Ziel, den Alltag der Menschen gravierend zu vereinfachen. Fußballfans heute schon bekannt: die Einblendung einer Linie bei strittigen Abseitsentscheidungen. Auch Monteure von Thyssen Krupp verwenden beispielsweise AR-Brilllen bei der Wartung von Aufzügen, um sich darauf die benötigten Reparaturinformationen anzeigen zu lassen – für die händische Arbeit unter schwierigen Bedingungen haben sie dadurch beide Hände frei.

Ziel: ein klares, scharfes Bild

Licht nimmt – bevor es die menschliche Retina als Bildpunkt erreicht – mit sogenannten „ebenen Wellen“ den Weg ins Auge. Um die Wellen innerhalb von AR-Brillen möglichst optimal ins Aug zu leiten, gibt es mehrere unterschiedliche Verfahren. So, dass dort ein klares, scharfes Bild entstehen kann.

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Projektor emittiert die Licht­wellen des digitalen Bildes in Richtung des Lichtleiters (SCHOTT RealView™).

2

Die Lichtwellen des Projektors werden an einer definierten Stelle mit Hilfe eines Gitters in den Lightguide eingekoppelt.

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Lichtwellen jeder Farbe werden im definierten Gitter-Bereich n-mal ausgekoppelt. Da jedes Auge individuell geformt ist, müssen die Lichtwellen n-mal ausgekoppelt werden (im vereinfachten Bild ist nur ein RGB-Bild dargestellt).

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Das bewegliche, nicht fix positionierte menschliche Auge nimmt sowohl das digitale als auch das reale Bild wahr. Dadurch entsteht der Eindruck einer erweiterten Realität (Augmented Reality).

„Unsere Glaswafer sind das Verbindungsstück zwischen digitaler und realer Welt.“
Dr. Rüdiger Sprengard, Head of Augmented Reality SCHOTT Advanced Optics

„Die Lightguide-Technologie kristallisiert sich dabei als besonders zukunftsträchtig heraus“, erklärt Wyrowski.

Zum einen, weil es bereits vielversprechende Produkte am Markt gebe, zum anderen lasse sich AR-Technik hiermit kompakt gestalten. Bei der Lightguide-Technologie kommen typischerweise drei Glaswafer zum Einsatz, wobei jeder Wafer als Lichtleiter für eine Farbe im Rot-Grün-Blau-Farbraum (RGB) dient.

Vorteile von SCHOTT RealView™

Beim Leiten der Wellen ist es von höchster Wichtigkeit, ein möglichst großes Gesichtsfeld (Field of View, auch FoV) abzudecken sowie gleichzeitig unterschiedliche Augen-Positionen und -Abstände durch große Austrittspupillen (eye boxes) zu berücksichtigen. Eine Vielzahl von Informationen zur Darstellung verschiedener Gesichtsfelder muss zuverlässig durch den Lichtleiter geführt und an definierten Stellen durch Auskopplungs-Gitter in Richtung Auge geleitet werden – im Idealfall so gleichmäßig wie möglich.

„Da wir uns bei Gitter-Strukturen im Nanobereich bewegen, setzen wir bei unseren Software-Modellierungen auf die physikalische Optik. Wir bewegen uns auf einem sehr hohen Modellierungs-Niveau, das alle relevanten Effekte dieser berücksichtigt. Wir tun das schnell und extrem genau“, betont Wyrowski.

Zu diesem Thema arbeitet SCHOTT sehr eng mit LightTrans zusammen. Die enge Zusammenarbeit der beiden Unternehmen trägt dazu bei, dass wir die Welt künftig mit ganz anderen Augen sehen.

Kontakt

Dr. Ruediger Sprengard
Advanced Optics
SCHOTT AG

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