OPTIVAR


Entidad financiadora: 

La actuación ha sido objeto de ayuda con cargo al presupuesto de gastos del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, con expediente TEC2014-56867-R


Socios en el proyecto: 
Fecha comienzo: 
De Jueves, 1 Enero 2015 hasta Domingo, 31 Diciembre 2017
Estado: 
En ejecución
Óptica Avanzada para aplicaciones de Realidad Virtual

El objetivo del proyecto es generar nuevos conceptos de ópticas avanzadas para visores de realidad virtual, incidiendo en los problemas ópticos relativos al tamaño, campo de visión y resolución de dichos visores y que se espera que resuelvan los principales problemas de calidad de imagen y ergonomía de esos sistemas. Para ello, se abordará el diseño de tres nuevas arquitecturas ópticas free-form: multicanal de 2 a 9 canales, multicanal de 30 a 120 canales con generación de campos de rayos y displays en cascada.  Se realizará la fabricación y validación de una de las arquitecturas (que se seleccionará a partir de los resultados del diseño) y se montará en un prototipo completo de visor de realidad virtual.

 

Los objetivos generales del proyecto se concretarán en 6 objetivos específicos:

O1. Desarrollo de conceptos fundamentales para el análisis y desarrollo de ópticas para realidad virtual con campos angulares >100 grados, y tamaños del visor de < 70 cm3 de volumen, incluyendo:

  • Análisis de representación de superficies free-form con polinomios ortogonales en gradiente en regiones rectangulares, teselables con continuidad de al menos orden 2.
  • Estudio de superficies free-form refractivas-difractivas para corrección de la aberración cromática en sistemas de muy alta resolución (<2 minutos de arco)

O2. Diseño y simulación de óptica para arquitectura free-form de varios canales de gran apertura con campo angular >100 grados, y tamaño del visor de < 70 cm3 de volumen, incluyendo:

  • Optimización del número de canales (desde 2 a 9) a las posibles relaciones de aspecto del display.
  • Planteamiento del sistema de ecuaciones en derivadas parciales que definen el problema de diseño freeform de cada canal cuando la apertura de la lente es mucho mayor que la pupila humana, en el límite de pupila puntual.
  • Cálculo del macroperfil del array que maximiza el rango de movimiento del ojo y el campo angular.
  • Ajuste de la resolución de los canales a la resolución angular del ojo humano para minimizar el tiempo de renderizado.

O3. Diseño y simulación de óptica freeform para arquitectura multicanal creando un campo de luz (Lightfield) con campo angular >100 grados, y tamaño del visor de < 45 cm3 de volumen, incluyendo:

  • Optimización del número de canales (desde 30 a 120) dependiendo de las especificaciones buscadas.
  • Cálculo con algebra NTE del campo de luz óptimo para corregir acomodación y convergencia.
  • Cálculo con algebra NTE del campo de luz óptimo para conseguir super-resolución mediante entrelazado de los píxeles virtuales.

O4. Diseño y simulación de óptica para arquitectura con displays en cascada con campo angular >100 grados, y tamaño del visor de < 45 cm3 de volumen, incluyendo.

  • Optimización del número de displays (desde 2 a 4) dependiendo de las especificaciones buscadas.
  • Cálculo con algebra NTE del direccionamiento de los displays para para corregir acomodación y convergencia.
  • Cálculo con algebra NTE del direccionamiento de los displays para conseguir super-resolución espacial y temporal, evaluado la relación señal ruido de la compresión obtenida.

O5. Fabricación y caracterización en laboratorio de una óptica free-form para realidad virtual con campo angular >100 grados y  tamaño del visor de < 70 cm3 de volumen, incluyendo:

  • Selección de materiales y tecnologías más adecuadas, atendiendo a su compromiso de calidad y coste.
  • Medidas de las superficies ópticas obtenidas, tanto sus perfiles como su rugosidad.
  • Medida de la calidad de imagen (MTF), focal, campo angular y función de mapeados.
  • Modelado y simulación del prototipo fabricado y análisis comparativo con los modelos del diseño teórico.

O6. Integración de un primer prototipo de visor de realidad virtual basado en la óptica free-form fabricada, incluyendo:

  • Selección y adquisición de los displays a utilizar.
  • Diseño y fabricación de la electrónica de control de los displays y sistema de seguimiento de movimiento de la cabeza.
  • Programación de los shaders para renderizado tridimensional de escenas virtuales y computación de la transformación (mapping) de pixeles de la escena a los pixeles del display de acuerdo con el diseño seleccionado.
  • Medida funcional del prototipo y evaluación de pruebas subjetivas.

 

En el proyecto, se está trabajando en las siguientes actividades, para las que se presentan los resultados obtenidos:

Actividad 1: Representación de superficies free-form con polinomios ortogonales.

El proceso de diseño de un sistema óptico free-form como los realizados en el proyecto consta de tres fases: primero se hace un primer diseño muy próximo al objetivo final usando el método SMS que da como resultado una nube de puntos de las superficies. Después se aproxima esa superficie como una serie de polinomios ortogonales. Por último se optimizan los coeficientes de los polinomios usando software comercial como CODE V. La fase de optimización depende mucho de la solución inicial y del tipo de polinomios usados, notándose en el tiempo de resolución e incluso la obtención o no de ésta. Para esta fase se ha hecho un estudio exhaustivo comparando diferentes familias de polinomios, XY, Legendre, Zernike y Forbes para seleccionar los más adecuados. Los resultados nos permiten optimizar los resultados usando la familia de polinomios más adecuada dependiendo de la forma de la apertura. En la Fig.1 se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos.

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Fig.1. Ejemplo de resultados obtenidos para cada familia de polinomios ortogonales.

Actividad 2: Diseño de sistemas con superficies difractivas.

Con el método SMS desarrollado hasta la actualidad, se ha conseguido diseñar sistemas de hasta 4 superficies ópticas para enfocar 4 puntos diferentes de forma perfecta. En teoría se pueden enfocar N puntos con N superficies aunque la complejidad del problema crece mucho con N. Los análisis muestran, como era de esperar, que cuantos más puntos se enfoquen más se aproxima el sistema óptico a uno ideal.

Las lentes difractivas añaden grados de libertad al diseño del sistema que permite mejorarlo en varios aspectos. Con N superficies se pueden enfocar 2N puntos. También se pueden enfocar menos de 2N y utilizar una parte de éstas para corregir aberraciones, por ejemplo cromáticas. En esta fase del proyecto se ha desarrollado un método de síntesis que permite obtener el perfil de una superficie difractiva para enfocar dos puntos y también se ha desarrollado un método para la corrección de aberración cromática usando estas superficies. En la Fig.2 se muestra un ejemplo de diseño que enfoca dos puntos con una sola superficie difractiva.

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Fig.2. Ejemplo de sistema con una superficie difractiva que enfoca dos puntos.

 

Actividad 3: Diseño de óptica para arquitectura multicanal.

Una de las ventajas de la arquitectura multicanal es la de poder realizar diseños ópticos equivalentes en funcionamiento a los convencionales pero con menos distancia focal. Esta propiedad es fundamental en la tecnología de Realidad Virtual ya que permite el diseño de gafas de tamaño mucho más reducido y más cómodas para el usuario.

Para el caso de Realidad Virtual se han usado diseños de pocos canales (2 o 4). Aunque se sigue trabajando en aumentar el número ya no hay mucha opción de reducir la distancia display-Lente como se muestra en la Fig. 3. En esta misma figura se muestran dos ejemplos de diseños realizados en el proyecto, uno de dos canales junto al prototipo fabricado y otro de cuatro canales en proceso de fabricación.

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Fig.3. Ejemplo de diseño de la óptica para RV con dos y cuatro canales.

 

En esta misma actividad, se han diseñado y desarrollado prototipos para un conjunto grande de lentes, > 30. La idea final es la aplicación de estos diseños a RV para mejorar algunos de los parámetros de estos sistemas. Como actividad inicial se ha diseñado y fabricado unos prototipos para aplicación de iluminación, en concreto uniformización de LED´s. En la Fig. 4 se muestra un ejemplo inspirado en la visión de los insectos.

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Fig.4. Prototipo de sistema multicanal y su aplicación como uniformizador de luz.

 

Actividad 4: Diseño y realización de un prototipo Light-Field.

Dentro de los objetivos del proyecto se contempla la generación de campos de luz (light-field) con ayuda de arrays de lentes. El desarrollo de este objetivo se realiza en varias fases, primero la exploración de mercado y adquisición de pantallas con la más alta resolución posible. Lo segunda es la realización del light-field con ayuda de una máscara de puntos de diferente tamaño y posición. Por último se sustituirá esta máscara por un array de lentes diseñado explícitamente y que tiene el mismo funcionamiento. La diferencia fundamental es que la máscara es muy poco luminosa mientras que el array en teoría es tan luminoso como la imagen original de la pantalla. Como fase intermedia se utilizaran arrays de lentes comerciales para realizar análisis. El objetivo de este prototipo es ver imágenes en 3D usando pantallas convencionales y sin gafas. En la Fig. 5 se muestra una imagen del prototipo realizado.

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Fig.5. Array de lentes usada para el proptotipo realizado en este proyecto.

 

Actividad 5: Fabricación de componentes ópticos.

Para la fabricación de los prototipos de lentes, como el mostrado en la Fig. 3, se han analizado las diferentes tecnologías y materiales posibles en función de la calidad necesaria y del coste. Para prototipos de caracterización se ha utilizado tecnología Direct Cut con punta de diamante. Esta tecnología permite unos resultados muy próximos al diseño teórico y se usa para verificar este. Para las series preindustriales se utiliza inyección con moldes realizados en punta de diamante. Como material se utiliza Zoenex.

Las lentes se han caracterizado en nuestro laboratorio de óptica para todos sus parámetros, los mecánicos (perfil y rugosidad) y los ópticos (eficiencia, aberraciones, etc).

Finalmente después de varios rediseños, análisis y medidas se ha conseguido una tecnología muy competitiva a nivel de funcionamiento con respecto a los del mercado.

 

Actividad 6: Desarrollo de electrónica para control de displays.

Se han probado y diseñado electrónica para dos displays para la aplicación de Realidad Virtual: uno trabajando a 60 y otro a 72Hz. Aunque en un principio podía parece que con 60 Hz es suficiente dada la respuesta del ojo, la realidad en que entran en juego otros parámetros, básicamente el tiempo de retardo desde que se obtiene la información de posicionamiento de la cabeza hasta que esta es procesada. Analizando teóricamente el problema se ve que la frecuencia del display es muy importante. La electrónica y se están realizando las últimas pruebas en el de 72 Hz. (Fig. 6).

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Fig.6. Pruebas de calibración realizadas sobre displays de 72 Hz. Se muestra la placa electrónica de control diseñada y fabricada. La forma que tiene es la adecuada para ajustarla en el holder.

 

Actividad 7: Diseño y realización de Holders para los componentes e integración.

Se han realizado varios diseños de holder con diferentes colores y materiales de prueba. En la Fig. 7 se muestran dos ejemplos. Se puede ver en la misma figura donde se sitúan las lentes. Los dos displays (Fig. 3) se sitúan justo delante y la electrónica más el tracker de seguimiento en el interior. Problemas como aislamiento para que no entre luz o polvo, ventilación de los circuitos, distancia interpupilar diferente entre personas, ajuste en el ojo, etc. son problemas que han necesitado de un tratamiento complejo no sólo en el holder sino en el propio diseño, como es el caso de la distancia interpupilar.

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Fig.7. Dos ejemplos de holder de los realizados para soportar la óptica y electrónica de las gafas de RV.

 

Actividad 8: Pruebas de funcionamiento de los prototipos.

Durante el desarrollo del proyecto se realizan continuamente pruebas subjetivas entre el personal de nuestro centro. Se ha realizado una estadística de confortabilidad de la gafa, sensación de inmersión, calidad de la imagen, defectos cromáticos, capacidad de seguimiento, etc.

Publicaciones: 
Ingeniería óptica