La realtà aumentata (AR) rappresenta una delle tecnologie emergenti più promettenti, con applicazioni che spaziano dai dispositivi indossabili ai sistemi di visualizzazione avanzata nei veicoli. Alla base di un’esperienza utente coinvolgente e di alta qualità visiva vi è una progettazione ottica estremamente accurata.
La realizzazione di un sistema AR RGB richiede infatti un controllo preciso sulla propagazione della radiazione elettromagnetica attraverso l’intero percorso ottico, che include non solo sistemi di lenti tradizionali, ma anche componenti fotonici avanzati come guide d’onda e superfici diffrattive.
L’utilizzo integrato degli strumenti Ansys – Ansys Lumerical™, Ansys Zemax OpticStudio® e Ansys Speos® – consente di simulare questi sistemi in modo coerente, supportando la progettazione di soluzioni ottiche compatte, efficienti e con resa cromatica ottimale.
Progettazione ottica
I sistemi AR RGB sfruttano tre microdisplay monocromatici (R, G, B), i cui fasci vengono indirizzati verso l’occhio mediante una guida d’onda ottica. Ogni canale ha una propria linea di trattamento ottico, che include reticoli di in-coupling/out-coupling e moduli di espansione, prima dell’integrazione nello stesso campo visivo. L’obiettivo è ottenere una sovrapposizione spaziale e cromatica precisa, minimizzando aberrazioni, disallineamenti e perdite.
Fasi del Workflow Ottico
1. Design del reticolo e guida d’onda
Nella fase iniziale si utilizza il software Ansys Lumerical per progettare il reticolo di diffrazione responsabile dell’accoppiamento della luce nella guida d’onda. L’ottimizzazione riguarda parametri chiave come periodo, duty cycle, e geometria della unità diffrattiva al fine di massimizzare l’efficienza di accoppiamento.
Parallelamente si definisce la geometria della guida valutando l’interazione con la sorgente, tenendo conto di spettro, perdite, riflessioni e compatibilità con le fasi successive.
Questo approccio consente di analizzare il comportamento del sistema AR RGB già nelle fasi iniziali, con un buon bilanciamento tra efficienza, uniformità cromatica e gestione dell’eye-box.
2. Progettazione e ottimizzazione dell’expander
Successivamente, la progettazione si concentra sull’expander ottico, cruciale per la gestione dell’uniformità luminosa e dell’eye-box – la zona da cui l’utente percepisce correttamente l’immagine. Nel software Zemax OpticStudio si modella il comportamento del fascio in uscita dalla guida d’onda, simulando l’espansione lungo una o più direzioni in funzione delle dimensioni dell’uscita desiderata. L’ottimizzazione coinvolge parametri come lunghezze focali, geometria e orientazione relativa rispetto alle superfici ottiche.
Questa fase è fondamentale per garantire che il contenuto virtuale sia ben visibile in condizioni d’uso reali, riducendo perdite di luminosità e disallineamenti, e rendendo il sistema adatto a una varietà di utenti con diverse morfologie facciali o movimenti oculari.
3. Analisi di sistema in Speos
L’ultima fase consiste nella validazione di sistema nel software Ansys Speos, dove si integrano i risultati delle fasi precedenti in un contesto tridimensionale complesso.
In Speos è possibile includere componenti meccanici, sorgenti reali (LED, laser) e materiali ottici con proprietà fotometriche note, oltre a simulare le condizioni ambientali di utilizzo.
L’analisi consente di valutare distribuzioni luminose, efficienza del sistema, qualità dell’immagine proiettata, dimensione e uniformità dell’eye-box, tenendo conto dell’interazione tra l’occhio umano e la scena proiettata. Speos fornisce anche strumenti per l’ottimizzazione finale, la verifica della conformità normativa e il collaudo virtuale del sistema prima della prototipazione fisica.
Conclusioni
Il modello RGB realizzato costituisce un prototipo virtuale completo di un sistema ottico per realtà aumentata, integrando in modo coerente guida d’onda, reticoli di diffrazione ed espansione del fascio.
Grazie alla sinergia tra gli strumenti della suite Ansys – Lumerical, Zemax OpticStudio e Speos – è possibile affrontare e risolvere tutte le sfide ottiche del sistema: efficienza di accoppiamento, resa cromatica, gestione dell’eye-box, simulazione ambientale e percezione visiva.
Questo workflow digitale consente una validazione completa prima del prototipo fisico, riducendo tempi e costi di sviluppo, migliorando la qualità progettuale e garantendo una migliore esperienza visiva per l’utente finale.
