Neues 3D-Display soll Unwohlsein beim VR-Einsatz beseitigen

VR-Headsets, die eine computer-simulierte Welt vermitteln, und AR-Brillen, die computer-generierte Elemente in die reale Welt einblenden, machen derzeit viel von sich reden. Doch obwohl immer mehr Modelle auf den Markt kommen, bleibt ihre Anwendung gewöhnungsbedürftig, weil das Ermüden der Augen ihren längeren Einsatz zu einer Tortur werden lassen kann. Ein neues 3D-Display könnte dieses altbekannte Problem lösen, indem es den Sehkomfort dieser tragbaren Systeme merklich verbessern hilft.

Liang Gao, University of Illinois, Urbana-Champaign, erklärt: „Wir wollen die aktuell verwendeten optischen AR- und VR-Displaymodule mit unserem 3D-Display ersetzen, um das Ermüdungsproblem der Augen zu beseitigen.“ Das Verfahren könnte in einer neuen Generation von 3D-Displays münden, die sich in jede Art von AR-Brillen oder VR-Headsets integrieren ließen.

Gao und Wei Cui berichten über ihr neues Optical-Mapping-3D-Display in Optics Letters, dem Journal von The Optical Society (OSA). Das neue Modul, das nur 1 x 2 Zoll misst, verbessert den Sehkomfort dadurch, dass es Tiefenhinweise erzeugt, die man ganz ähnlich in der realen Welt sehen kann.

Ermüdung überwinden

Die aktuellen VR-Headsets und AR-Brillen präsentieren zwei 2D-Bilder in einer Form, die das Gehirn des Betrachters die Bilder zum Eindruck einer 3D-Szene vereinen lässt. Diese Form stereoskopischer Displays verursacht einen Konflikt zwischen Vergenz und Akkommodation, die es mit der Zeit immer schwerer macht, die Bilder zu verschmelzen und die Unwohlsein und Erschöpfung auslöst.

Das neue Display präsentiert echte 3D-Bilder und bedient sich dabei eines Konzepts namens optisches Mapping. Dabei wird ein digitales Display in Subpanels geteilt, die jeweils ein 2D-Bild erzeugen. Die Bilder der Subpanels auf verschiedene Tiefen gemappt, während die Zentren aller Bilder in Linie aneinander ausgerichtet bleiben. So erscheint es dem Betrachter beim Blick durch das Okular, als ob jedes Bild eine andere Tiefe aufweist. Die Entwickler haben auch einen Algorithmus geschaffen, der die Bilder so mischt, dass die Tiefen kontinuierlich erscheinen und ein zusammengefügtes volumetrisches Bild mit den korrekten fokalen Hinweisen für die Tiefenwahrnehmung entsteht.

Die Schlüsselkomponente ist eine Einheit für das räumliche Multiplexing, welche die Subpanel-Bilder in die vorgesehenen Tiefe und gleichzeitig die Zentren dieser Bilder seitlich zur Sichtachse verschiebt. Momentan baut sich die Einheit aus räumlichen Lichtmodulatoren auf, die das Licht nach einem bestimmten Algorithmus modifiziert.

Obwohl der Ansatz mit allen modernen Displaytechnologien funktionieren würde, haben die Wissenschaftler ein OLED-Display verwendet, eine der neuesten Technologien für handelsübliche Fernseher und mobile Geräte. Die mit OLED-Displays mögliche enorme Auflösung sorgte dafür, dass jedes der Subpanel ausreichend Pixel für ein deutliches Bild enthielt.

Gao erklärt, dass schon ähnliche Methoden entwickelt worden sind, um mehrere Tiefenebenen zu schaffen, doch passiere das dort nicht simultan, sondern durch den schnellen Wechsel der Bilder.

Tiefenhinweise erzeugen

Die Entwickler haben die Vorrichtung getestet und eingesetzt, um eine komplexe Szene mit geparkten Autos zu zeigen. Dazu haben sie eine Kamera vor dem Okular positioniert, um aufzuzeichnen, was das menschliche Auge sehen würde. Sie konnten zeigen, dass die Kamera auf Autos fokussieren konnte, die weit entfernt waren, während der Vordergrund unscharf blieb. Genauso konnte die Kamera auf die Autos im Vordergrund scharfstellen, während der Hintergrund verschwommen erschien. Der Test bestätigte, dass das neue Display fokale Hinweise liefert, die einen Tiefeneindruck, ganz ähnlich wie Menschen Tiefe in einer Szene wahrnehmen, entstehen lassen. Zwar wurde das System in schwarz-weiß demonstriert, doch die Wissenschaftler sagen, dass das Verfahren sich genauso für Farbbilder verwenden ließen, allerdings mit reduzierter lateraler Auflösung.

Aktuell arbeiten die Forscher daran, Größe, Gewicht und Stromverbrauch der Lösung zu minimieren. Für die Zukunft plane man, die räumlichen Lichtmodulatoren durch andere optische Bauelemente wie ein holografisches Volumengitter zu ersetzen. Neben dem Vorteil der geringeren Größe benötigten diese Gitter weniger Strom, was die Einheit noch kompakter machen und ihre Eignung für VR-Headsets und AR-Brillen steigern würde.

Paper: W. Cui, L. Gao, „Optical Mapping Near-eye Three-dimensional Display with Correct Focus Cues,“ Opt. Lett., Volume 42, Issue 13, 2475-2478 (2017). DOI: 10.1364/OL.42.002475.

Bild: Das neue Display präsentiert echte 3D-Bilder und bedient sich dabei eines Konzepts namens optisches Mapping. Dabei wird ein digitales Display in Subpanels geteilt, die jeweils ein 2D-Bild erzeugen. Die Bilder der Subpanels auf verschiedene Tiefen gemappt, während die Zentren aller Bilder in Linie aneinander ausgerichtet bleiben. CREDIT: Liang Gao, University of Illinois at Urbana-Champaign