La realtà aumentata (AR) è una tecnologia innovativa che sovrappone informazioni digitali al mondo reale, migliorando l’esperienza visiva e l’interattività degli utenti. Utilizzando avanzati sistemi ottici, questa tecnologia combina immagini, testi e suoni per arricchire il contesto del mondo reale in tempo reale. Le applicazioni della realtà aumentata spaziano in numerosi settori, tra cui educazione, medicina, industria, retail, design d’interni, gaming e produzione. Tra i vantaggi più significativi ci sono la capacità di fornire informazioni contestuali in tempo reale, l'interattività e un design sempre più compatto e leggero, simile a quello di semplici occhiali, che ne rende facile l’adozione nella vita quotidiana.
Il funzionamento della realtà aumentata si basa su tre componenti principali:
- Input: Le fotocamere e i sensori raccolgono dati sull'ambiente circostante dell'utente, utilizzando strumenti come GPS, accelerometri, giroscopi e telecamere a infrarossi per creare un'immagine precisa del mondo reale.
- Software: I dati raccolti vengono processati per determinare dove e come inserire gli elementi digitali nel campo visivo dell'utente. Questo include algoritmi avanzati di riconoscimento ambientale e gestione delle immagini.
- Display: Gli elementi digitali vengono proiettati nell’ambiente reale tramite display come occhiali AR, visori, smartphone o proiettori, integrando il mondo fisico con contenuti virtuali.
Figura 1: Tracciamento di raggi in modalità non-sequenziale per sistema di visione a realtà aumentata
Progettazione Ottica per Sistemi AR
Un elemento chiave per garantire esperienze di realtà aumentata (AR) di alto livello è la progettazione del sistema ottico, che consente di integrare immagini digitali e mondo reale. Questa integrazione richiede una combinazione sofisticata di tecnologie ottiche, che tengano conto di parametri essenziali quali il campo visivo (FoV), la risoluzione angolare, la profondità di campo, l'ergonomia e la compattezza.
La progettazione di un sistema a realtà aumentata può svilupparsi su più piani, tra i quali:
- Progettazione del sistema di lenti: In questa fase, si disegna l'ottica principale del proiettore per gestire la trasmissione delle immagini digitali verso il sistema ottico AR. Il design viene ottimizzato per ridurre le aberrazioni cromatiche, garantire una buona qualità dell'immagine e rispettare i vincoli di compattezza.
- Ottimizzazione dei reticoli di diffrazione o metasuperfici: I reticoli sono componenti chiave per manipolare la luce all’interno della guida d’onda e vengono progettati per massimizzare l'efficienza degli ordini di diffrazione desiderati, garantendo che la luce venga accoppiata, ampliata e correttamente emessa dalla guida d’onda verso l’occhio dell'utente. Tecniche come l'analisi RCWA consentono di simulare le interazioni ottiche a livello nanometrico, ottimizzando i parametri di forma e periodicità dei reticoli. Le metasuperfici possono essere considerate come una estensione dei reticoli di diffrazione. Tramite una accurata ingegnerizzazione delle nanostrutture in termini di simmetria, forma e materiali, consentono la manipolazione della radiazione elettromagnetica in termini di intensità, fronte d’onda e polarizzazione.
- Simulazione del sistema completo: Una volta definiti i componenti principali, si esegue un’analisi sistemica per verificare che l’intero sistema ottico operi correttamente nel contesto reale. Questo include la simulazione della propagazione della luce attraverso le guide d’onda e l’interazione con i reticoli e le lenti, valutando le performance del sistema in termini di radianza, illuminamento, pesando l’effetto della percezione dell’occhio umano.
Conclusione
Per approfondire questo l'argomento, in questo workshop si mostra come sviluppare, ottimizzare e analizzare un sistema ottico per la realtà aumentata sfruttando l’interoperabilità tra i tool di simulazione ottica. Partendo da Ansys Lumerical, si effettua il design e l’ottimizzazione dei reticoli di diffrazione utilizzati per deviare e guidare la radiazione elettromagnetica partendo da un sistema di lenti progettato e ottimizzato in Ansys Zemax. Questi dati vengono poi importati in Ansys Speos, per l’analisi a livello di sistema del dispositivo composito. Questa metodologia di progettazione multiscala consente di ottimizzare l’interazione tra componenti macro e microstrutturali, creando un sistema ottico che offre un’esperienza visiva immersiva e ad alte prestazioni.
Per ottenere un sistema ottico AR performante, è spesso necessario utilizzare strumenti di simulazione avanzati, ciascuno dedicato all'ottimizzazione di specifici componenti del sistema.