19. Juli 2018

Photonik schafft virtuelle Welten


				
					Continental und DigiLens entwickeln neuartige Head-up-Displays.

Ob Head-up Display oder Virtual Reality-Brille: Photonik ebnet den Weg in virtuelle Welten und reichert die Realität mit hilfreichen Informationen an.

Head-up Displays (HUD) projizieren Autofahrern Informationen und Warnhinweise direkt ins Blickfeld. Bisher übernehmen aufwändige Optiken die Lenkung und Vergrößerung der Augmented-Reality-(AR)-Projektionen auf die Windschutzscheibe. Nachteil: Die Systeme lassen nur kleine Einblendungen zu und beanspruchen dafür viel Bauraum im ohnehin überfüllten Armaturenbrett. Der Automobilzulieferer Continental geht darum mit seinem Beteiligungsunternehmen, dem US-Start-up DigiLens Inc., einen neuen, ebenfalls auf Photonik gründenden Weg. Statt das Licht über Optiken zu lenken, wird es durch speziell strukturierte Lichtwellenleiter moduliert. Das neuartige System reduziert den Bauraum auf ein Sechstel der herkömmlichen Größe und verdoppelt zugleich das Blickfeld. Die miniaturisierten HUDs lassen sich sogar in Motorrad- und Pilotenhelme integrieren, um AR-Informationen direkt im Blickfeld sichtbar zu machen.

DigiLens ersetzt Linsen und Spiegel durch feine diffraktive Strukturen aus einem eigens entwickelten holographischen Photopolymer. Diese Bragg-Gitter werden im kostengünstigen Inkjet-Druckverfahren auf Wellenleiter aufgebracht, die für rotes, grünes und blaues Licht optimiert sind. Clou: Der Polymer, oder besser das Maß seiner Diffraktion, ist elektrisch schaltbar. Damit funktionieren die „Switchable Bragg Gratings“ (SBG’s) wie ein optisches „System on a chip“, welches das in die Lichtwellenleiter eingespeiste Licht beugt, formt, vergrößert und letztlich auf die Zielfläche projiziert. Eingespeist wird es von einem Input-Modul, das aus einem Pico-Projektor und einem RGB-LED-Modul besteht.

Wettbewerb der optischen Verfahren

Die kompakten HUDs haben laut Continental „das Potential, den Markt zu revolutionieren“. Dies ist umso realistischer, als auch anderer Forschergruppen und Hersteller an dieser Technologie arbeiten. So entwickelt ein Forscherteam des College of Optical Sciences der University of Arizona HUDs auf Holografie-Basis. Gemeinsam mit dem US-Konzern Honeywell möchten sie Systeme für die Luftfahrt zur Serienreife bringen. Ein weiteres prominentes Beispiel ist Microsoft mit seiner Mixed-Reality-Brille HoloLens. Diese setzt Augmented Reality ebenfalls auf Basis von Bragg-Gittern um, wobei diese hier im Ätzverfahren in Silizium eingebracht werden. Diese so genannten Surface Relief Gratings” (SRGs) sind im Gegensatz zur DigiLens-Technologie nicht schaltbar und ihr Blickfeld entspricht dem üblichen Gebrauchsblickfeld von etwa 20 Grad. Dagegen wirbt DigiLens, mithilfe der schaltbaren Bragg-Gittern bei zugleich überlegenen optischen Eigenschaften 40 bis 70 Grad realisieren zu können. Obendrein sei das kostengünstig gedruckte HUD-System energieeffizienter, was es für Motorradhelme und Datenbrillen prädestiniere.

Ganz andere Wege geht Zeiss mit der Virtual Reality Brille VR-One. Ihr Kernelement sind zwei große Präzisionslinsen, die den gewünschten stereoskopischen Effekt bewirken, sobald Nutzer ein iPhone oder Android-Smartphone (4,7“-5,5“) in die Brille einschieben und entsprechende VR-Apps starten. In den App-Stores von Apple und Google gibt es hunderte solcher Apps. Und neben Zeiss bieten diverse andere Hersteller VR-Brillen an, die nur in Verbindung mit Smart-phones funktionieren.

Flüssigkristalle bilden virtuelle Welten ab

Daneben gibt es ein wachsendes Angebot von VR-Brillen mit integriertem Display. Weit entwickelt ist eine Display-Technologie auf Basis ferroelektrischer Flüssigkristalle, welche der schottische Spezialist Forth Dimension Displays entwickelt und fertigt. Kunden aus diversen Branchen setzen VR-Brillen mit solchen FLCoS-Displays zu Trainingszwecken ein.

Das Kürzel FLCoS steht für Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon. Die Flüssigkristalle zur Modulation des Lichts im elektrischen Feld befinden sich zwischen einer aktiven CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Rückwandplatine mit einzeln ansteuerbaren Pixeln und einer Glasfront, die mit einer transparenten Elektrode beschichtet ist. Im elektrischen Feld lassen sich die Flüssigkristalle mit Reaktionszeiten von nur 40 Mikrosekunden (µs) schalten. Die rasante Reaktionszeit und Auflösungen von 2048 x 1536 Pixeln pro Auge ermöglichen laut Hersteller so realistische Darstellungen virtueller Welten, wie sie derzeit keine andere Technologie im Markt schafft. Dabei haben Anwender die Wahl zwischen True Color-Bildern mit 24-bit-Farbtiefe oder monochromen Darstellungen. Als Lichtquelle ist wahlweise der Einsatz von LEDs oder Lasern möglich, wobei die FLCoS-Mikrodisplays in Verbindung mit Lasern auch für eine binäre Phasenmodulation computergenerierter Hologramme einsetzbar sind.

 
 
 
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