Le guide ultime des lentilles AR et ses applications

La lentille choisie et développée par le fabricant d’aR/AR pour ses lunettes intelligentes est l’une des caractéristiques déterminantes de ces dernières. Elle définit le prix, le facteur de forme, la qualité d’affichage perçue, et bien plus encore. L’amélioration de la conception des lentilles à guide d’ondes et leur fabrication en masse ont entraîné une augmentation du nombre de lunettes intelligentes aR/AR fines et légères, principalement sur le marché chinois.

La question est de savoir quelles sont les trois conceptions de lentilles aR/AR. Quelles sont les différences et comment cela a-t-il influencé le marché des lunettes intelligentes ces dernières années ?

La conception de la lentille guide d’ondes qui permet la récente montée en puissance des lunettes intelligentes AR.

Une technologie négligée lors de la couverture des lunettes intelligentes et de leur essor est la fabrication en masse et les économies d’échelle de la conception de la lentille du guide d’ondes. Par rapport aux anciens modèles Birdbath et Bug-Eye, cette lentille est plus polyvalente, offre une meilleure clarté visuelle et présente moins d’images doubles, connues sous le nom de « ghosting ».

Essentiellement, pour que la réalité augmentée fonctionne, la lumière du monde réel et celle de l’affichage numérique doivent entrer simultanément dans les yeux de l’utilisateur. Pour y parvenir, des miroirs, des lentilles et/ou des prismes sont utilisés en fonction de la technologie choisie : guide d’ondes, Birdbath ou Bug-Eye.

Le TCL Nxt Wear Air utilise un design de guide d’ondes holographique, comme le HoloLens 2, tandis que le Magic Leap One et le Oppo Air Glass utilisent la technologie de guide d’ondes diffractif. À l’inverse, le Nreal Light utilise un design optique totalement différent appelé Birdbath.

Les différences entre Waveguides, Birdbath et le Bug-Eye sont que le Bug-Eye et le Birdbath ont été utilisés plus fréquemment par le passé en raison des coûts de production moins élevés, tandis que le Waveguide était encore en stade de R&D.

Lentilles Birdbath

En effet, Birdbath perd une grande partie de la lumière rebondissant de l’intérieur de l’écran vers les yeux du porteur. Par conséquent, les lunettes AR Birdbath ont généralement des lentilles plus sombres pour compenser, ce qui nuit à l’objectif de la réalité augmentée : assombrir le monde réel pour le porteur. De plus, la lentille Birdbath est sujette au « ghosting ».

Birdbath, cependant, est connu pour avoir un FOV plus élevé et peut généralement être fabriqué à des coûts inférieurs – bien que plus élevés que Bug-Eye – et permettre un facteur de forme plus mince que celui de Bug-Eye.

Lentilles Bug-Eye 

Bug-Eye fonctionne avec un miroir sans tain qui reflète une image LCD sur un morceau de verre pour que le porteur puisse la voir. Cela signifie que pour que le FOV soit suffisamment grand, la taille du casque final doit être grande et encombrante. Mais comme Bug-Eye n’utilise qu’un miroir, les coûts de production sont les plus bas, ce qui se traduit par des prix abordables pour le consommateur final et permet de cibler un marché plus large.

En résumé:

  1. Le Bug-Eye est le moins cher en termes de coût de fabrication mais il est grand et encombrant en termes de facteur de forme.
  2. Le Birdbath est plus coûteux à produire que le Bug-Eye mais moins que le guide d’ondes. De plus, le Birdbath permet un design plus fin. En revanche, les lentilles sont sombres et les cas d’images fantômes sont fréquents.
  3. Waveguide est le plus coûteux en termes de fabrication de masse et de technologie plus avancée, mais permet un facteur de forme semblable à celui des lunettes de soleil, plus attrayant pour un public plus large. En outre, la mise à l’échelle de la production a rendu le guide d’ondes moins gourmand en capital et plus accessible aux fabricants d’aR/AR.

Lentilles Waveguide 

Ces dernières années, l’option plus récente du Waveguide a bénéficié des économies d’échelle et des progrès de la fabrication, ce qui a permis de réduire les coûts de production de cette conception de lentille avancée. C’est la raison pour laquelle nous avons assisté à une augmentation du nombre de lunettes AR légères et fines à prix réduit, combinée à une position plus détendue des consommateurs en matière de respect de la vie privée, ce qui avait été reproché aux premières Google Glass en 2012. En outre, les écrans Waveguide ont une meilleure qualité visuelle perçue, avec une clarté accrue et une réduction de l’effet fantôme.

En effet, les capacités de production de masse du Waveguide, de sociétés telles que DigiLens, dans laquelle Samsung a investi de manière substantielle lors de la levée de fonds de la série D de DigiLens. En effet, le guide d’ondes a permis de réduire le coût d’utilisation d’une telle technologie de lentille, ce qui a entraîné une vague de lunettes intelligentes AR fines, élégantes et légères sur le marché de la réalité.

TL: Bug-Eye, M: Birdbath © Rob Delwo, TR: Waveguide © DigiLens

Les deux conceptions de Waveguide et leurs différences

Avant d’aborder les différences, commençons par les principes de base.

La technologie Waveguide est expliquée dans le nom lui-même, en ce sens qu’il s’agit d’une conception de lentille qui guide la lumière avant de pénétrer dans les yeux du porteur : d’où le nom de « Waveguide ».

En général, les différences dans la conception du Waveguidedictent la façon dont la lentille elle-même fait rebondir la lumière de l’écran dans le verre avant de pénétrer dans les yeux du porteur.

La conception géométrique du Waveguide

Le Waveguide géométrique utilise plusieurs miroirs et prismes transflectifs (une combinaison entre la transmission et la réflexion de la lumière simultanément) pour faire rebondir la lumière de l’écran vers les yeux de l’utilisateur. En effet, cette solution de guide d’ondes offre une tolérance mécanique, une facilité de forme et d’ergonomie, et généralement plus d’espace pour les conceptions d’interface utilisateur telles que les commandes tactiles.

Cependant, le Waveguide géométrique s’accompagne d’un rendement lumineux généralement plus faible – ce qui se traduit par une fidélité d’écran perçue comme plus faible, même si la différenciation des couleurs elle-même n’impose pas de biais sur une couleur quelconque. C’est simplement que l’image perçue est moins bonne pour le porteur. Un autre inconvénient est que les rayures sont visibles sur les verres eux-mêmes, ce qui peut distraire le porteur de la réalité numérique qui s’ajoute à la réalité réelle.

Conceptions de Waveguide diffractives

Design de SRG waveguide 

Ce design utilise une fine couche de réseau en relief de surface (SRG en anglais), qui est une série de vallées découpées au laser sur la surface de la lentille : voir (b) dans l’image ci-dessous.

En d’autres termes, l’orientation et la profondeur permettent à la lumière de rebondir et de se propulser dans les yeux du porteur. Expliqué d’une autre manière, pensez à une pyramide en verre et à ce qui se passe lorsque vous faites briller la lumière à travers elle. Ici, vous voyez la lumière projetée être diffractée dans le spectre complet des couleurs et dirigée linéairement vers une zone. La lentille guide d’onde diffractive utilise le même concept.

Il est intéressant de noter qu’une propriété intellectuelle brevetée de diffraction à trois couches a été adoptée par Microsoft et Vuzix, dont nous voyons maintenant les nouvelles lunettes Shield de Vuzix qui utilisent une conception diffractive holographique ou binoculaire.

Vuzix CES Final Roundup

L’avantage de la technologie de lentille diffractive est la facilité de fabrication en masse, car elle utilise la gravure au laser plutôt que le moulage, la découpe et le collage de verre rayé dans le design géométrique.

De plus, la méthode diffractive permet des distances interpupillaires plus larges, ce qui signifie que les différentes topologies de visage (comme la distance entre les yeux) sont plus faciles à compenser, élargissant ainsi la base de clients potentiels.

Les inconvénients de la méthode diffractive sont que la conception a tendance à perdre la moitié de la lumière envoyée dans les yeux du porteur, tandis que la dispersion des couleurs est un problème connu, diminuant la qualité d’affichage perçue, provoquant ce que l’on appelle « l’effet arc-en-ciel ».

Il est intéressant de noter que la solution pour atténuer cet effet arc-en-ciel perçu est d’avoir des grilles diffractives à différentes couches, comme l’ont adopté Vuzix et Microsoft. Mais cela épaissit le verre lui-même et va à l’encontre de la norme en matière de conception de verre intelligent, à savoir mince, léger et élégant. On assiste donc à des innovations visant à compenser cette solution diffractive multicouche par une technologie diffractive monocouche. À savoir, la société finlandaise Dispelix est le leader du guide d’ondes diffractif monocouche : une société qui a obtenu 33 millions de dollars d’investissement de série B fin 2021.

Conceptions de Waveguide holographiques

Enfin, nous avons la lentille diffractive holographique. Cette conception utilise un film mince de matériau holographique, remplaçant les minuscules amorces par des hologrammes à l’échelle nanométrique pour faire rebondir la lumière. 

Comme pour la variante SRG en couches, le problème de la dispersion des couleurs se pose pour cette solution, mais elle s’accompagne simultanément d’un effet de voile et d’un FOV plus petit. L’avantage est que le Waveguide holographique est encore plus rentable dans la fabrication de masse. Bien qu’il ne présente pas non plus la même épaisseur ni le même problème d’ondulation perçue.

En conclusion, le Waveguide diffractif et les innovations réalisées ouvrent la voie à une adoption massive des lunettes intelligentes AR. Bien que l’on s’attende à ce que d’autres appréhensions des clients subsistent pour le marché occidental, les consommateurs chinois sont généralement plus laxistes en ce qui concerne les complications liées à la vie privée.

De virtualrealitypop.com, « Catégories de technologies de Waveguide: a) Waveguide géométrique avec réseau de miroirs réfléchissants, b) Waveguide diffractif avec réseaux de surface en relief, c) Waveguide diffractif avec réseaux holographiques volumétriques. » Images modifiées à partir de la source : https://bit.ly/3zEWoty 

L’essor des lunettes AR/aR « Air » en Chine

Au cours des deux dernières années, nous avons assisté à une montée en puissance des variantes « Air » des lunettes intelligentes AR/aR existantes ou nouvelles. De nouvelles itérations qui poursuivent un profil de forme et de design plus mince et plus élégant, rendu possible par la fabrication en masse du design du Waveguide.

Oppo Air Glass

L’Oppo Air Glass devrait commencer une sortie limitée au T1-2022 en Chine et se différenciera par un design de type monocle et goutte d’eau. De même, Oppo considère que la catégorie de ses Air Glass est la réalité assistée (aR), plutôt que la réalité augmentée (AR). La différence est que la réalité assistée fournit des informations pertinentes au-dessus de l’objectif, comme des notifications, tandis que la réalité augmentée offre une expérience numérique interactive qui s’adapte aux environnements du monde réel. La première est moins gourmande en traitement que la seconde et donc plus abordable.

Nreal Air

Le Nreal Air est le successeur du Nreal Light et constitue à nouveau une offre plus fine et plus élégante (ressemble à des lunettes de soleil). En outre, Nreal s’efforce de se différencier grâce à son magasin d’applications AR nommé Nebula.

Nreal Air: Full Specification - VRcompare

TCL NxtWear Air

Annoncé au CES2022, le TCL NxtWear Air est le successeur plus fin de ses lunettes AR NxtWear G. Le nouveau NxtWear Air s’efforce d’utiliser la large présence de TCL sur le marché chinois pour attirer le public, tout en ciblant un cas d’utilisation axé sur le divertissement. Une stratégie similaire à celle de Nreal, qui se concentre également sur le divertissement. En effet, Nreal a constaté que « les consommateurs d’aujourd’hui recherchent des lunettes AR plus légères, mais plus durables, exclusivement pour le streaming média… » a déclaré le PDG et fondateur de Nreal, Chi Xu.

TCL NXTWEAR AIR smart glasses have a portable and slim profile for stylish comfort » Gadget Flow

Huawei X Gentle Monster Eyewear II

Bien qu’il ne s’agisse pas des « Air » et par extension de la seule exception, le Huawei Eyewear II s’inscrit dans la tendance.

Huawei a une gamme de réalité assistée appelée Eyewear, offrant des cas d’utilisation comme « your next smart personal assistant ». Huawei, en s’associant à la marque sud-coréenne de mode et de lunettes Gentle Monster, a opté pour un corps élégant pour ses lunettes intelligentes Eyewear : une déclaration de mode associée à des utilisations de réalité assistée. La nouvelle aR, plus légère, s’appelle Eyewear II, voir ci-dessous.

Conclusion

Dans le passé, la réalité augmentée et la réalité assistée étaient pilotées par les conceptions de lentilles Birdbath et Bug-Eye, deux solutions AR maladroites et de qualité inférieure.

Ainsi, lorsque la production de masse et les effets des économies d’échelle ont rendu plus accessible le nouveau design plus avancé du guide d’ondes, une vague de lunettes de RA et de RA a été déclenchée. La lentille à guide d’ondes offre à la fois une qualité supérieure et une expérience aR/AR plus fine et plus légère. Plus précisément, des sauts dans l’innovation ont été réalisés grâce à sa technologie diffractive à réseau en relief à une seule couche.

En effet, cette utilisation plus large du guide d’ondes a entraîné une augmentation du nombre de lunettes intelligentes aR/AR minces et légères, principalement sur le marché chinois, proposées par des marques chinoises de technologie grand public. On suppose que cela est dû à l’appréhension des consommateurs occidentaux concernant les problèmes de confidentialité découlant de l’abandon des Google Glass destinées aux consommateurs en 2012/2013. Ce n’est qu’une question de temps avant que la vaste innovation des lunettes intelligentes aR/AR en Chine et sur les autres marchés asiatiques n’arrive sur les marchés occidentaux.

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