Влияние оптических покрытий на уменьшение бликов в гарнитурах виртуальной реальности

Проблема блика в гарнитурах виртуальной реальности

Гарнитуры виртуальной реальности обещают полностью иммерсивные цифровые миры, однако многие пользователи сталкиваются с постоянным отвлечением внимания: блики. Нежелательные отражения от внутренних и внешних источников света уменьшают контрастность, промывают цвета и создают призрачные изображения, которые разрушают иллюзию. Эти артефакты особенно заметны в ярких сценах или когда внешний свет попадает в гарнитуру. Для разработчиков и производителей минимизация бликов имеет решающее значение для обеспечения комфортного, правдоподобного опыта. Оптические покрытия появились в качестве основного инженерного решения этой проблемы, превращая необработанные пластиковые или стеклянные линзы в высокопроизводительные оптические элементы.

Физика бликов VR-гарнитуры проста. Свет от панели дисплея проходит через линзы, но часть отражается от каждой поверхности линз. Эти отраженные лучи отражаются внутри оптической системы, создавая блики завесы, вспышки линз и уменьшенный контраст изображения. В многообъективных конструкциях, распространенных в VR (например, линзы Френеля, блинные линзы), число интерфейсов воздух-стекло умножается, увеличивая возможность отражений. Внешний окружающий свет, поражающий переднюю часть гарнитуры, также может отражаться назад к глазам пользователя, что еще больше ухудшает изображение. Оптические покрытия непосредственно решают эти проблемы, изменяя поведение света на каждой поверхности.

Что такое оптические покрытия?

Оптическая пленка - тонкой пленкой - обычно между 0,1 и 10 микронами толщиной - прикладывают к поверхности линзы, чтобы контролировать передачу, отражение или поглощение света. Эти покрытия полагаются на принцип тонкопленочной интерференции: когда световые волны отражаются от верхних и нижних границ покрытия, они могут мешать разрушительно (отменяя друг друга) или конструктивно (укрепляя друг друга). Точно проектируя толщину покрытия и показатель преломления, производители могут подавлять отражения на определенных длинах волн - обычно по видимому спектру (400-700 нм).

Для VR-гарнитур наиболее распространенным покрытием является широкополосное многослойное антибликовое (AR) покрытие. Один слой может уменьшить отражение от ~4% на поверхность (типичный непокрытый пластик) до примерно 1,5%, в то время как высококачественный многослойный стек может привести к отражению ниже 0,5%. Эти покрытия предназначены не только для стекла - они работают на поликарбонатных и акриловых линзах, широко используемых в потребительской VR из-за их легкого веса и ударопрочности. Покрытие должно хорошо прилипать к подложке, противостоять царапинам и выдерживать очистку без деламинации.

Материалы, используемые в оптических покрытиях, включают оксиды металлов (например, диоксид кремния, диоксид титана, оксид алюминия), фториды (например, фторид магния) и запатентованные смеси. Каждый слой осаждается с точностью до нанометра с использованием таких процессов, как физическое осаждение паров (PVD) или распыление. В результате получается линза, которая передает больше света и отражает меньше, непосредственно борясь с бликами.

Типы оптических покрытий и их роль в уменьшении ближнего света

Антиотражающие (AR) покрытия

Покрытия AR являются рабочей лошадкой уменьшения бликов. Укладывая несколько слоев с чередующимися высокими и низкими показателями преломления, инженеры могут создать эффект «широкополосной связи», который минимизирует отражение во всем видимом диапазоне. В гарнитуре VR покрытия AR наносятся на поверхности внутренних линз (обращаясь к дисплею) и наружные поверхности (обращаясь к глазам). Это двойное применение гарантирует, что внутренние отражения между линзами и дисплеем подавляются, и что любой окружающий свет, поступающий извне, также уменьшается.

Улучшение поддается измерению: линзы без покрытия Fresnel могут демонстрировать завуалированный свет, который снижает контрастность на 20-30%, в то время как линзы с AR-покрытием могут удерживать потерю контраста ниже 5%. Пользователи сразу замечают разницу - черные цвета кажутся глубже, цвета более насыщенными, а мелкие детали легче увидеть, особенно в темных сценах. Для гарнитур, используемых в ярких средах (например, аркады, симуляторы, смешанная реальность), покрытия AR почти обязательны.

Зеркальные (отражающие) покрытия для специализированного использования

Хотя и нелогичные, зеркальные покрытия иногда наносятся на внешнюю поверхность гарнитуры, чтобы отражать внешний свет. Они предназначены не для самих линз, а для корпуса гарнитуры или внешней стороны оптических элементов (например, в некоторых конструкциях блинных линз). Зеркальные покрытия могут уменьшить окружающие блики, которые отскакивают внутри полости гарнитуры. Они также используются в системах отслеживания глаз, где горячее зеркало (отражающее ближнее инфракрасное, но прозрачное видимое) позволяет камерам видеть глаз, не блокируя дисплей.

Для стандартной VR зеркальные покрытия встречаются редко, но инженеры могут комбинировать AR-покрытия с твердым внешним слоем, который обладает некоторыми отражающими свойствами, чтобы уменьшить количество света, поступающего через вентиляционные отверстия корпуса.Чем чаще производитель использует черную матовую отделку внутри гарнитуры для поглощения рассеянного света, с AR-покрытиями, обрабатывающими отражения объектива.

Жесткие устойчивые к скрещиванию покрытия

Всплывающие вибрации на объективе не только портят изображение, но и рассеивают свет, увеличивая блики. Твердые покрытия (например, алмазоподобный углерод, органосиланы) защищают лежащую в основе пластик от истирания. Хотя они не являются прямо антибликовыми, они сохраняют оригинальное оптическое качество и предотвращают образование дефектов рассеяния света. Многие VR-гарнитуры наносят жесткое покрытие на слои AR, создавая прочный сэндвич: субстрат, AR-стек, затем твердый слой. Твердый слой должен быть прозрачным и иметь показатель преломления, соответствующий AR-стеку, чтобы избежать введения новых отражений.

Без твердого покрытия пластиковые линзы быстро получают микроскрафты от очистки, пыли или ресниц, которые ухудшают четкость и увеличивают блики с течением времени. Пользователи с очками внутри гарнитуры особенно тверды на линзах, поэтому жесткие покрытия продлевают срок службы гарнитуры.

противотуманные покрытия

Туман образуется при теплом, влажном воздухе от дыхания пользователя или конденсации кожи на более холодных линзах. Капли воды рассеивают свет, создавая молочное блики, разрушающее видимость. Противтуманные покрытия представляют собой гидрофильные (распыление воды) или гидрофобные (слив воды) слои, препятствующие образованию капель. Для VR гидрофильные покрытия встречаются чаще: они вызывают распространение влаги в тонкую, прозрачную пленку, а не капли. Эти покрытия часто наносятся в качестве верхнего слоя над твердым покрытием.

Свет, вызванный туманом, является частой жалобой при активном использовании VR (например, Beat Saber, фитнес-приложения). Хорошее противотуманное покрытие в сочетании с дизайном вентиляции гарнитуры может держать линзы чистыми. Однако эти покрытия ухудшаются при чистке и могут нуждаться в периодическом повторном применении с помощью спреев или салфеток. Некоторые производители интегрируют противотуманные свойства во внешнее твердое покрытие.

Синий свет блокирует покрытие

Синий свет (400-500 нм) от высокоэнергетических светодиодов и дисплеев может вызвать цифровое напряжение глаз и нарушить сон. Некоторые VR-гарнитуры предлагают фильтрующие покрытия синего света, которые уменьшают передачу более коротких длин волн. Хотя они не нацелены непосредственно на блики, фильтры синего света могут улучшить визуальный комфорт во время длительных сеансов. Однако синий свет также способствует бликам, потому что он рассеивает более длинные длины волн. Отфильтровывая некоторый синий свет, эти покрытия уменьшают общий рассеянный свет и могут сделать изображение более теплым и менее резким.

Сделка заключается в том, что синий свет необходим для точного цветопередачи. Сбалансированное покрытие блокирует только часть (15-30%) синего света, аналогично «компьютерным очкам». Для VR, используемой в обучении или медицинском моделировании, где важна точность цвета, регулируемое программное обеспечение на основе уменьшения синего света может быть предпочтительным по сравнению с постоянным покрытием.

Олеофобные (нефтяные) покрытия

Масла кожи и косметика оставляют пятна, которые рассеивают свет и увеличивают блики. Олеофобные покрытия создают скользкую поверхность, которая сопротивляется отпечаткам пальцев и облегчает очистку. Они обычно используются на экранах смартфонов и теперь применяются к линзам VR, чтобы держать их в чистоте. С меньшим количеством пятен покрытие AR может выполнять свою работу без смазки, рассеивающей свет. Олеофобные слои обычно очень тонкие и могут быть нанесены на жесткое пальто.

Сочетание нескольких функций покрытия (AR, твердое, противотуманное, антистатическое и олеофобное) в один стек является важной инженерной задачей. Каждый слой должен быть оптически совместимым и хорошо прилипать. Производители балансируют стоимость и производительность, часто уделяя приоритетное внимание AR и жесткому покрытию для основных гарнитур.

Наука уменьшения блеска: тонко-фильмовое вмешательство в работу

Чтобы оценить, как покрытия уменьшают блики, рассмотрим единый интерфейс между воздухом и пластиковой линзой. Около 4% падающего света отражается при нормальной частоте (по уравнениям Френеля). Этот отраженный свет может отскочить обратно в глаз, создавая призрак. Четвертьволновое антирефлекторное покрытие - слой с показателем преломления, равным квадратному корню индекса подложки и толщиной λ/4 (где λ - длина целевой волны) - вызывает деструктивную интерференцию между светом, отраженным от верхней поверхности покрытия, и светом, отраженным от интерфейса покрытия. Эти два отражения равны по амплитуде и противоположны по фазе (180° вне фазы), отменяя отражение.

Для одного слоя отмена идеальна только на одной длине волны. Многослойные стеки используют несколько четвертьволновых и полуволновых слоев для расширения подавления по всему видимому спектру. Современные VR-гарнитуры часто используют покрытия с пятью-пятнадцатью слоями, каждый из которых нанесен с точностью. В результате объектив отражает менее 0,5% видимого света по сравнению с 4-8% непокрытым. Это резкое уменьшение отраженного света напрямую уменьшает блики.

Кроме того, AR-покрытия увеличивают передачу: больше света от дисплея достигает глаза, что позволяет снизить яркость дисплея (экономию энергии) и лучшую контрастность. В темной VR-сцене бродячие внутренние отражения от высококонтрастных объектов (например, яркие элементы пользовательского интерфейса) могут создавать видимые вспышки. Покрытия подавляют эти внутренние отражения, делая сцену более чистой. Для конструкций блинных линз, которые складывают оптический путь (используются в более тонких гарнитурах, таких как Apple Vision Pro), количество интерфейсов может быть восемь или более; без исключительных AR-покрытий такие конструкции были бы неприменимыми.

Другим фактором является зависимость от угла: многие VR-объективы имеют широкие поля обзора (90-120 °), а свет поступает под наклонными углами. Стандартные AR-покрытия оптимизированы для нормальной частотности, поэтому отражения могут увеличиваться по краям. Расширенные покрытия используют слои с градиентным индексом или фильтры ругаты для улучшения внеосевой производительности. Такие производители, как Meta и HTC, инвестируют в пользовательские конструкции покрытий, адаптированные к их геометрии линз, чтобы поддерживать уменьшение бликов по всему полю.

Влияние на пользовательский опыт виртуальной реальности

Наиболее непосредственное преимущество оптических покрытий - улучшенная четкость изображения. Без блика пользователь воспринимает более высокую контрастность, более глубокие черные и более четкие детали. В играх и симуляциях, где обнаружение небольших объектов имеет решающее значение (например, военная подготовка, тренажеры полета), уменьшенное блики может сделать разницу между успехом и неудачей. Напряжение глаз также уменьшается, потому что зрачки пользователя не должны постоянно приспосабливаться к противоречивым уровням света от отражений.

Комфорт - это еще одно измерение: блики могут вызывать головные боли, усталость глаз и дезориентацию, особенно во время длительного использования (более 30 минут). Исследование 2022 года, опубликованное в Optics Express , измерило показатели напряжения глаз для участников, использующих гарнитуры с AR-покрытием по сравнению с непокрытыми VR-гарнитурами, и обнаружило 40%-ное снижение сообщаемого дискомфорта через один час. Отчасти это связано с тем, что отражения заставляют глаз мгновенно перефокусироваться, создавая микроусталость.