The Integral-Fiber optical AR-Glass Design

IntegralFiberDesign SqThe Integral Fiber Optic AR design for minimalist AR-Spectacles is the foundation of the AR Blockchain Revolution and is described in detail in the explanatory videos. As long as no detailed video documentation on the proof of concept is available, this compilation builds up the understanding of this proof with external YouTube videos. However, the physical principles used in the Integral Fiber Design are so new and unknown that only few videos are publicly available about it today.

 
 

First of all, the introductory video about the Integral-Fiber Design in shortened 15 minutes. Then the individual concepts in external videos.

 

The optical system of the pinhole integral image is the first fundamental physical principle, which is well visualized in the following video. In the video you can see nicely how the image emerges only from a grid of tiny dots, and how most of the area is really just black. In the integral fiber design, these points are the tips of the optical fibers, and the black surface is the transparent lens. The overlaps of the circles are cut off in the AR glasses to get a homogeneous picture.
Below is the visualization of Nvidea.
IFD Lightfield2

Das optische System des unsichtbaren Kanals in einem Glass ist seit seinem wissenschaftlichen Durchbruch in 2006 bekannt, jedoch in der Praxis ungenutzt. Für das optische KaraSpace Integral-Faser-Design ist es jedoch ein essenzieller Bestandteil für den Durchbruch der main stream Augmented Reality, weil die feine Hardware im Glass komplett verborgen werden kann, und so ein rahmenloses Brillendesign für absolute Sozialverträglichkeit ermöglicht. Das Prinzip ist in einem dichten optischen Medium wie Glass einfach anwendbar, indem um den verborgenen Kanal der Beugungsindex in Stufen stark abnimmt. Die Forscher konzentrieren sich jedoch auf das unsichtbar machen in der normalen Atmosphäre, was jedoch für normales Licht momentan noch unmöglich ist, und so den ganzen Forschungsbereich diskreditiert.
Hier ein Statement von Professor Sir John Pendry, einem hoch angesehenen Physiker aus England.Sketch9

Das fundamentalste und neuste optische Konzept für AR-Brillen ist der Multi-Mode Glasfaser-Projektor, der ein ganzes Bild in höchster Geschwindigkeit durch eine einzige dünne Glasfaser transportieren kann.
Hier eines der wenigen videos über Multimode Glasfaser Projektoren von Joel Carpenter aus Sidney, die das Prinzip verständlich visualisieren. In diesem Fall nur mit 45 Moden bei einer Wellenlänge 1550 nm, weil das Forschungsteam nur Hardware für Kommunikationstechnologien zur Verfügung hat.   Für AR haben die Fasern dann viele tausend Moden im sichtbaren Licht-Sprektrum. Man kann vom Video gut verstehen, wie durch Moden Drehungen, das Auflösungspotential der Glasfaser durch mehreren Bildzyklen gesteigert werden kann.IFD Amplitude Phase

Die Schlüssel-Technologie für die AR-Brille ist die bereits sehr ausgereifte MEMS Fertigungstechnik, mit der optische Weichen und Spiegelfelder mit integrierter IC Logik für die AR Brille auf kleinsten Stäbchen realisiert werden können. Diese Hardware kann dann in optisch getarnten Bereiche im Glass positioniert werden. Zur Veranschaulichung, hier die Beschreibung eines MEMS Gyroskops. IFD Mems Sripes

Die Technologie zur Erzeugung der Bilder, ist die Ausgereifte DMD MEMS Technik, die aus nochmals viel kleineren beweglichen Einzelspiegel in einem großen Feld bestehen. Diese Spiegel-Felder können über 30.000 Bilder in der Sekunde erzeugen, welche für die vielen einzelnen Bilder des Integralbildes benötigt werden. Für die AR-Brille werden die Grautöne durch andere optische Systeme erzeugt, so dass die vielen Zyklen nur für die Einzelbilder und die drei Farbzyklen gebraucht werden. Auch werden keine Farbräder wie im Video genutzt, sondern eigens dafür angebrachte DMD Felder, so dass die von der DMD Technik bekannten Farb-Artefekte nicht mehr auftreten. IFD DMD1

Zur Generierung der Bilder wird die Technik der complex modellierten computer generierten Holographie genutzt, wie im folgenden Video schön beschrieben. Das Integral Faser AR Design generiert also Hologramme die durch SLM Chips generiert werden, die sowohl die Amplitude sowie die Phase modulieren können. Außerdem werden komplexere Lichtfronten zur Beleuchtung des SLM-Chips genutzt, was extrem gute Hologramme ermöglicht. Jedoch werden die Hologramme durch die Integral-Glasfasern transportiert, und dafür die Holographie zusätzlich zur Wellenfront-Umformung gemäß der Glassfaser-Transmissionsmatrix genutzt. Dieses schöpft das potential dieser genialen Technologie zusätzlich aus. Das Video bestätigt außerdem unsere eigenen Ergebnisse, dass die Hologrammberechnung extrem optimiert und in Echtzeit gerechnet werden kann.Sketch13

Die Produktionstechnik der Wafer Level Optics, ermöglicht das Aufbringen feinster optischer Strukturen direkt auf den Microchip. Diese Technik wird ergänzt durch das 3D Drucken feinster Optiken zum Beispiel auf die Spitze der Glasfaser. Das Video zeigt solch einen Druck mit dem Nanoscribe Drucker.IFD Mems Sripes

Die Augenverfolgung mit der IR camera ist die Grundvoraussetzung für extreme Auflösung der AR-Brille, weil nur der gerade fokussierte Bereich hoch aufgelöst dargestellt wird. Im Video wir Zuverlässigkeit und Ausgereiftheit dieser Technologie visualisiert.Sketch12

Foviated rendering bedeutet, dass nur die tatsächlich fokussierten Bereiche hoch aufgelöst berechnet werden, wogegen die Peripherie nur niedrig aufgelöst bleibt. Bei der AR-Brille baut die gesamte Hardware auf dieser Strategie auf, in dem die einzelnen Bildausschnitte in verschiedenen Auflösungen angesteuert werden, oder garnicht genutzt werden. Das Video visualisiert dieses Konzept in einem geschlossenen VR-Headset.IFD Foved1

Zum Verständnis der Überlegenheit des  Integral Faser Designs, gegenüber den anderen optischen AR-Systemen, hier eine Darstellung des Bild-Einmischverfahrens. Der Ort, an dem das reale Bild (blau) und das virtuelle Bild (rot) miteinander kombiniert wird (der Combiner) ist bei den bisherigen Systemen entweder eine Teilspiegelfläche (erstes Bild, Meta 2) oder eine strukturierte Fläche mit feinen optischen oder holographischen Strukturen (zweites Bild, Hololens). Dafür wird die gesamte Durchsichtsfläche genutzt. Bei dem Integral-Faser Design werden nur einzelne Punkte genutzt, die erst durch die Breite der Pupille zu einem flächigen Bild werden (drittes Bild). Das Kombinieren der Bilder entsteht an keiner Fläche, sondern durch das nur punktuelle einblenden in die Augen-Linse selber. Dies hat große Vorteile, weil die Combiner-Fläche immer auch unerwünschte Effekte wie Doppelspiegelung oder Streulicht mit sich bringt. Das Integral-Faser Design bietet so perfekt transparente Durchsicht ohne jeglicher fehlgeleiteter Lichteffekte.  Zusätzlich bietet das erzeugte Bild extreme Schärfentiefe, was die Problematik der Focus-Anpassung an die Realität stark vereinfacht. (Focus Vergenz Anpassung) 
 
 
Further information videos can be found here!

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