Nueva publicación de Ciencias Ópticas Electrónicas; DOI 10.29026/oes.2023.230025 Analiza la visualización cercana al ojo basada en dispositivos de superficie superior.

Con el surgimiento del metamundo, las tecnologías de realidad virtual (VR) y realidad aumentada (AR) se han desarrollado rápidamente en los últimos años. Las pantallas cercanas al ojo son tecnologías importantes para la realidad virtual y la realidad aumentada. A pesar del rápido progreso de las tecnologías de visualización cercana al ojo, todavía existen desafíos como el gran campo de visión (FOV), la alta resolución, la alta calidad de imagen, el efecto 3D natural de forma libre y el factor de forma compacto. Se ha dedicado un esfuerzo considerable a equilibrar el rendimiento óptico y la compacidad del dispositivo. Si bien la óptica convencional se está acercando a sus límites para enfrentar estos desafíos, la óptica ultrafina con supersuperficies, con sus capacidades superiores de modulación de la luz, puede ofrecer una solución prometedora.

Con el desarrollo de la tecnología de metasuperficie, se han aplicado nuevos dispositivos de metasuperficie para sistemas de visualización AR/VR cercanos al ojo. Para resumir el progreso realizado en las aplicaciones de visualización de la superficie del ojo cercano en los últimos años, un equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghai revisó el progreso reciente en la visualización de la superficie del ojo cercano basado en dispositivos de visualización del ojo cercano.

Como se muestra en la Figura 1, las tecnologías de visualización cercana al ojo han experimentado un rápido desarrollo durante las últimas seis décadas desde la introducción del primer AR HMD en la década de 1960. Dispositivos familiares como Hololens y Apple Vision Pro están revolucionando nuestras vidas. En 2018, se propusieron por primera vez dispositivos de superficie para pantallas cercanas al ojo. Las metasuperficies metálicas, elementos planos ultrafinos que consisten en antenas de sublongitud de onda, proporcionan capacidades de modulación superiores de amplitud de luz, fase y estado de polarización, y superan a la óptica refractiva y difractiva convencional. Se han realizado extensas investigaciones sobre dispositivos de superficie óptica, incluidas rejillas, lentes y hologramas. Las metasuperficies son candidatos prometedores como componentes clave en pantallas cercanas al ojo para reemplazar las voluminosas ópticas tradicionales o para habilitar nuevas funciones, allanando el camino para la próxima generación de tecnologías de realidad aumentada y realidad virtual.

En esta revisión, los autores presentan primero las pantallas VR y AR cercanas al ojo, luego explican brevemente los principios de funcionamiento de las metasuperficies moduladas por luz, revisan los desarrollos recientes en dispositivos de visualización cercana al ojo para aplicaciones de visualización cercana al ojo y profundizan en varias aplicaciones 3D avanzadas. Metasuperficies naturales Técnicas avanzadas de visualización ocular basadas en metasuperficies. La estructura de la pantalla de realidad virtual es relativamente sencilla y consta de dos componentes funcionales principales: la fuente de imagen y la lente. En teoría, los dispositivos de superficie superior pueden servir como fuente de imagen o lente. Sin embargo, para las pantallas de realidad virtual, la fuente de imagen debe proporcionar imágenes a gran escala y videos a todo color para crear un entorno virtual inmersivo. Este requisito supera la capacidad de los tejados metálicos modernos. Por lo tanto, la aplicación de hipersuperficies en pantallas de realidad virtual se limita principalmente a actuar como un ocular.

Debido a sus diversas funciones, alto rendimiento óptico y factores de forma ultradelgados, las superficies metálicas se han propuesto como componentes visuales importantes en varias arquitecturas de visualización de realidad aumentada. Pueden funcionar como oculares, colectores y más, reemplazando ópticas tradicionales voluminosas o integrando nuevas funciones ópticas avanzadas, para lograr pantallas AR con FOV más compactas, livianas, de alta calidad y de gran tamaño. Los autores revisaron las aplicaciones de las metasuperficies en diferentes arquitecturas de realidad aumentada, basadas en divisores de haz, guías de ondas y proyección directa. Como se muestra en la Figura 2, el visor multifuncional puede actuar simultáneamente como un ocular para la luz de la imagen virtual oblicua y como una unidad colectora que refleja la luz de la imagen virtual al ojo del espectador mientras transmite luz del entorno real.

Las metasuperficies tienen un gran potencial para aplicaciones en pantallas VR y AR cercanas al ojo para mejorar el rendimiento de las imágenes, ampliar el campo de visión o aumentar la compresión. Sin embargo, la mayoría de las pantallas cercanas al ojo todavía utilizan tecnología de visualización 3D estereoscópica, lo que puede provocar conflictos de convergencia y acomodación (VAC) y fatiga visual. Para abordar este problema, se han propuesto métodos de renderizado 3D natural, incluido el renderizado Maxwell, el renderizado estereoscópico, el renderizado de campo de luz y las pantallas multifocales. Gracias a la versatilidad de las Super Superficies, las Super Superficies se utilizan como elementos visuales importantes en estas pantallas 3D avanzadas para ayudar a aliviar la fatiga visual y proporcionar una experiencia visual 3D más natural. La Figura 3 muestra una pantalla Maxwelliana de ojo cercano que puede proporcionar imágenes virtuales sin alojamiento utilizando una imagen 3D de la superficie de Huygens como proyector.

Esta revisión proporciona una descripción general completa de los desarrollos recientes en aplicaciones de superficies metálicas para pantallas cercanas al ojo. Con sus factores de forma ultradelgados y su flexibilidad excepcional en el ajuste de la luz, las supersuperficies proporcionan una solución prometedora para el desarrollo de auriculares VR/AR compactos y livianos.

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El grupo de Yan Li de la Universidad Jiao Tong de Shanghai se ha comprometido con el campo de las exposiciones. Sus intereses de investigación incluyen pantallas AR/VR, dispositivos LCD, pantallas 3D, etc. En el campo de la visualización, el equipo ha ganado numerosos premios a artículos destacados para estudiantes, premios ICDT a artículos destacados y el premio JSID a artículos destacados para estudiantes, y ha publicado más de 100 artículos de investigación en el campo de la visualización y la óptica.

Yan Li es profesor asociado e investigador de Qinxing en la Universidad Jiao Tong de Shanghai. Sus intereses de investigación incluyen pantallas de realidad aumentada, pantallas 3D, dispositivos de cristal líquido, etc. Ha publicado más de 100 artículos de investigación en revistas y congresos en el campo de la óptica y la visualización. Se han desempeñado como miembros del comité técnico de conferencias internacionales, incluidas SID Display Week, SPIE Photonics West y la International Display Technology Conference. Ha sido editora asociada de Optics Express y actualmente es editora asociada de IEEE Photonics Journal y Journal of the Society for Information Display.

Xiaojin Huang, Universidad Jiao Tong de Shanghai, Ph.D. Estudiante del Departamento de Ingeniería Electrónica. Sus intereses de investigación incluyen dispositivos de cristal líquido y sus aplicaciones en pantallas de realidad aumentada.

Shuxin Liu es un investigador postdoctoral de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y sus intereses de investigación incluyen dispositivos de cristal líquido, tecnología de visualización AR/VR, etc. Ha publicado más de 20 artículos de investigación sobre SCI en el campo de la presentación. Actualmente es editor invitado en Crystals.

El Dr. Hawen Liang es profesor asociado en la Facultad de Física de la Universidad Sun Yat-sen. Sus intereses de investigación incluyen imágenes ópticas utilizando metalometría, realidad virtual y aumentada e imágenes ópticas de dispersión. Publica más de 40 artículos académicos en revistas acreditadas por SCI, incluidas PhotoniX, Nano Letters, Optica, Laser & Photonics Review y Photonics Research. Su investigación sobre metales de silicio de superapertura digital fue reconocida como OPTIC 2018 por Optica (anteriormente OSA).

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Li Y, Huang XJ, Liu SX, Liang HW, Ling YY et al. Superficies epitaxiales para aplicaciones de visualización cercana al ojo. Ciencia optoelectrónica 2, 230025 (2023). doi: 10.29026/oes.2023.230025