Slechts vijf jaar geleden zou het twijfelachtig zijn geweest om te anticiperen op exponentiële groei in immersive reality-technologieën. Tegenwoordig ontdekken professionals in tal van sectoren dat interactie met informatierijke 3D-schermen veel beter is dan het gebruik van een 2D-scherm. Hoewel het nog onduidelijk is hoe deze revolutie in interactieve digitale communicatie zich zal ontwikkelen, lijdt het geen twijfel dat deze eraan komt.

De definitie van immersive of extended reality (XR)-systemen omvat virtual reality (VR) voor een volledig kunstmatig gezichtsveld (zie figuur 1), augmented reality (AR) voor het toevoegen van digitale informatie aan normaal zicht, en mixed reality (MR) voor de volledige fusie van de echte en digitale wereld.

Opkomende XR-oplossingen maken al indruk in verschillende toepassingen binnen de sectoren entertainment, sport en vrije tijd, bedrijfsimplementaties, defensie en gezondheidszorg. Het stimuleert professionele training- en ontwikkelingsprogramma’s door virtuele toegang te verlenen tot omgevingen die in de echte wereld te duur of te gevaarlijk zouden zijn. Het transformeert ook industriële productie en ontwerp, versnelt ontwerp op de markt met snelle prototyping, tot procesverbeteringen die een grotere productiviteit, efficiëntie en nauwkeurigheid mogelijk maken.

Technologische drijfveren voor meeslepende realiteit

XR vereist hardware voor digitale optisch meeslepende weergave (DOID) en om de markt voor deze apparaten uit te breiden, moeten ze lichtgewicht, comfortabel en gebruiksvriendelijk zijn, terwijl ze ook een uitzonderlijke visuele kwaliteit, betrouwbaarheid en verwerkingskracht leveren.

Miniaturisatie van de talloze onderdelen en componenten die worden gebruikt in digitale optische weergaveapparaten is van fundamenteel belang en een belangrijke motor achter de groei in het gebruik van immersieve realiteit. De focus ligt op het gebruik van steeds kleinere micro-optica en geïntegreerde optische assemblages, MEMs-sensoren en micro-LED-displays, naast vele andere integrale onderdelen en componenten. XR-systemen omvatten niet alleen het projectiesysteem voor het creëren van de illusie van 3D-objecten in de ruimte, maar ook een groot aantal extra apparaten, waarvan vele optisch, voor eye-tracking, afstandsmeting en omgevingsdetectie.

Een opvallend aspect van immersive reality-apparaten is het uitgebreide gebruik van innovatieve optische systemen met niet-traditionele componenten, mogelijk met golfgeleiderstructuren en holografische en meta-oppervlakken om licht op het oog te richten. Hand in hand gaan met de groei van immersieve realiteit is een ongekende vraag naar micro-asferische en vrije-vorm optica, die aanzienlijke uitdagingen voor fabrikanten bieden, met name voor kwaliteitscontrole en ontwerpverificatie. Hier komt de metrologie op de voorgrond en ondersteunt en stimuleert ze innovatie.

Vrije vorm optica en golfgeleiders

Immersive reality-apparaten vereisen zowel een breed gezichtsveld als een groot “eyebox” -volume. Een eyebox is de reeks oogposities waarvoor er een acceptabel beeld van het beeld is; het is een belangrijke parameter in het optische ontwerp van XR-optica. Hoe groter het eyebox-volume, hoe beter en realistischer de gebruikerservaring. Gesimuleerde realiteit moet het volledige bereik van perifeer zicht en oogrotaties dekken, en dit is niet haalbaar voor praktische draagbare apparaten die conventionele geometrische optica gebruiken.

Optische oppervlaktevormen in vrije vorm, die mogelijk geen rotatiesymmetrie of beschrijving hebben in termen van conische constanten, zijn geëvolueerd van een intrigerend optisch ontwerpconcept tot een praktische noodzaak voor toepassingen variërend van ruimte en defensie tot consumentenelektronica. Voor immersieve realiteit, die uitzonderlijk hoge optische prestaties combineert met de ergonomische beperkingen van draagbare interactieve technologieën, vragen ontwerpen vaak om diffractiebeperkte prestaties bij grote gezichtsvelden in off-axis oriëntaties. Freeform-optieken zijn vaak de enige manier om de resulterende aberraties te corrigeren en vormen verschillende uitdagingen voor meettechnologieën. Omdat vrije-vormoptieken vaak geen axiale of off-axis symmetrie hebben, zijn ze allebei een uitdaging om te ontwerpen, te meten en te produceren.

Een veelgebruikt ontwerp voor XR-optiek omvat vlakke golfgeleiderstructuren, die belangrijk zijn voor beeldoverdracht en koppeling. Een optische golfgeleider is een structuur die een lichtgolf beperkt om langs een bepaald gewenst pad te reizen. Vlakke golfgeleiders worden regelmatig gebruikt om de beeldvormende pupil in MR-optische systemen te repliceren, wat resulteert in een sterk verhoogd eyebox-volume. Ze worden vaak vervaardigd in de vorm van een dunne transparante film met verhoogde brekingsindex op een substraat of ingebed tussen twee substraatlagen. Vlakke golfgeleiders met meerdere golflengten voor DOID-systemen zijn complexe optische structuren, en net als optica met vrije vorm bieden talrijke metrologische uitdagingen.

De metrologische uitdaging aangaan

Metrologietools voor immersive reality-apparaten kwantificeren oppervlaktevorm, diffractiehoeken en efficiëntie, montagetoleranties en oppervlakteruwheid, en helpen bij ontwikkeling en prototyping, prestatie-evaluatie en productiekwaliteitscontrole.

Contactloze metrologische oplossingen hebben vaak de voorkeur om schade aan hoogwaardige oppervlakken te voorkomen en om 3D-metingen over het volledige gebied met hoge gegevenssnelheden te bieden. Volledige 3D-beelden zorgen voor een beter procesinzicht en karakterisering van oppervlakken in vergelijking met 2D-profielen. Deze vereisten geven waar mogelijk de voorkeur aan optische metrologie boven contact- of tactiele oplossingen.

Interferometrie gebruikt de golflengte van licht en optische coherentie om afstanden en oppervlaktevormen te meten. Interferometrie wordt vaak beschouwd als een uiterst nauwkeurige oplossing voor het meten van platte en sferische onderdelen, maar is moeilijk aan te passen aan moderne vrije vormen van oppervlaktevormen en complexe oppervlaktestructuren. Ontwerpers van meetinstrumenten hebben manieren geïntroduceerd om het bereik van zeer nauwkeurige interferometrische methoden uit te breiden, specifiek voor het meten van DOID-componenten en -systemen.

Vrije vorm optica zonder sferische symmetrie is een goed voorbeeld van hoe interferometrie is geëvolueerd om de uitdaging aan te gaan. Nauwkeurige metrologie, niet alleen voor oppervlaktevorm maar ook voor oppervlakteoriëntatie met betrekking tot referentiepunten, speelt een sleutelrol bij het leveren van essentiële kwaliteitscontrole en feedback tijdens het fabricageproces. Een oplossing voor interferometrische metingen van vrije vormen zijn door de computer gegenereerde hologrammen (CGH’s), die bij gebruik in combinatie met een laser Fizeau-interferometer zoals de Zygo Verifire golffronten creëren om te compenseren voor de hoge oppervlaktehellingen en de vaak asymmetrische vorm van asferische en vrije vorm optica.

Procesbesturing van vrije-vormoptieken vereist 3D-topografische kaarten en relationele metrologie voor het lokaliseren van referentiepunten en montagepunten. De Zygo Compass-interferentiemicroscoop herbergt vrije vormen van oppervlakken door ze vanuit verschillende perspectieven te bekijken. Het uiteindelijke beeld wordt gevormd uit overlappende kleinere afbeeldingen, die aan elkaar worden vergrendeld met behulp van gespecialiseerde software op basis van de correlatie van fijnschalige oppervlaktetextuur tussen aangrenzende afbeeldingen. Metingen over het volledige oppervlak laten fouten zien die gemist worden bij het gebruik van tactiele stylusmetrologie en kunnen fouten detecteren die het gevolg zijn van krimp en onvolkomenheden in het gietproces (zie Fig. 2).

Een uitdaging voor alle optische methoden is de kwaliteitscontrole van vlakke golfgeleiders, die bestaan ​​uit twee of meer semitransparante substraten met holografische coatings om licht uit de golfgeleider en in het oog te leiden. Een interferometrische oplossing voor het meten van de substraten was gebaseerd op geavanceerde lichtbronnen met een swept-golflengtevermogen, die een unieke modulatiefrequentie aan elk van de reflecterende oppervlakken verleent. Instrumenten zoals de Zygo Verifire MST laser Fizeau-interferometer evalueren de vlakheid, totale diktevariatie en materiaalhomogeniteit van golfgeleidersubstraten.

Metrologie voor complete golfgeleiderstapels vereist evaluatie van de afstand tussen glassubstraten, hun vlakheid na montage en uniformiteit van openingen tussen de platen. Deze dimensionale kenmerken hebben een sterke invloed op de beeldkwaliteit en uniformiteit in uiteindelijke DOID’s. Om de voltooide golfgeleiderassemblages te meten, is een effectieve oplossing coherentie scanning interferometrie, die oppervlakken scheidt met behulp van interferentierandcontrast. Een voorbeeldsysteem is de Zygo Nexview interferentiemicroscoop, uitgerust met groothoekobjectieven (zie Fig. 3).

De groei in de XR-markt stimuleert een ongekende vraag, niet alleen naar traditionele optische metrologie voor oppervlaktevormen, texturen en miniatuur micro-elektronische apparaten, maar ook naar micro-freeform-optica en golfgeleiders. De uitdaging is voor metrologische technieken en technologieën om gelijke tred te houden, vooral nu XR-technologieën en ondersteunende DOID-hardware van prototypes naar grootschalige productie gaan.

DANKBETUIGING

Veel dank aan Chris Young, MicroPR&M, voor discussies en bijdragen aan dit artikel.

Compass, Nexview, Verifire en Verifire MST zijn handelsmerken van Zygo Corporation.


0 Comments

Leave a Reply

Avatar placeholder

Your email address will not be published.