Článek s názvem Roll-to-plate printable RGB-achromatic metalens for wide-field-of-view holographic near-eye displays (Tisknutelné RGB-achromatické metačočky z role na desku pro holografické displeje s širokým zorným polem v blízkosti očí) shrnuje výsledky výzkumu, který uspořádal společný vědecký tým Samsungu a POSTECH. V rámci výzkumu vznikly achromatické metačočky bez barevných zkreslení, které v kombinaci s holografickými displeji eliminují různé typy chromatických aberací. Na základě této inovace lze vyvíjet kompaktní, a přitom vysoce kvalitní holografická nositelná zařízení s technologií prodloužené reality (XR), případně různé aplikace pro fotoaparáty a senzory.

Výzkum vedli dr. Seokil Moon ze Samsung Research a profesor Junsuk Rho z POSTECH, dalšími spoluautory článku jsou Minseok Choi, Joohoon Kim a Kilsoo Shin z POSTECH.

Jak potlačit chromatickou aberaci a vyvinout kompaktní achromatickou metačočku

Metačočka je plochá čočka z nanomateriálů schopných čelit difrakci světla. Konstrukce metačoček umožňuje výrazně nižší velikost i tloušťku v porovnání běžnými konvexními optickými čočkami¹. Proto se metačočky považují za optické komponenty příští generace pro použití v displejích a fotoaparátech. Za jejich vývojem stojí více než desetiletý výzkum.

Navzdory těmto výhodám dochází u metačoček k technickým problémům při vývoji jednotlivých produktů. Důvodem je vážná chromatická aberace² vedoucí k výraznému zhoršení obrazové kvality.

Při předchozích pokusech o eliminaci chromatické aberace u metačoček vývojáři navrhovali jednotlivé metastruktury pro každou metačočku zvlášť a následně je sestavovali na substrátu. Ve fázi návrhu tím pádem ovšem nešlo brát dostatečně v úvahu vzájemné působení jednotlivých struktur a chromatickou aberaci tak nešlo ve výsledné čočce eliminovat úplně.

Výzkumný tým Samsungu a POSTECH problém s chromatickou aberací vyřešil změnou konvenčního způsobu navrhování metačoček. Již v první fázi návrhu se tu se vzájemným působením jednotlivých metastruktur počítalo a vývojáři je konstruovali souběžně, což ve výsledku chromatickou aberaci zcela eliminovalo.

Kromě odstranění chromatické aberace se u metačoček vyvinutým zmíněným týmem podařilo zkrátit ohniskovou vzdálenost, což znamená nižší rozměry i hmotnost čočky³.

Vyšší rozlišení a menší námaha očí s jedinou čočkou

Metačočky obecně trpí i jinými optickými aberacemi, nejen tou chromatickou. Čím větší zobrazovací plocha, tím výraznější je i zkreslení. Tyhle problémy se obvykle řeší kombinací různých čoček neboli optických členů. Výzkumný tým Samsungu a POSTECH ovšem dokázal nejrůznější aberace eliminovat pomocí jediné achromatické metačočky v kombinaci s holografickým displejem – výsledkem byl širší úhel záběru a kvalitní obraz bez zkreslení.

Prostřednictvím technické validace navíc výzkumný tým prokázal, že při nahrazení konvenčních optických členů a displejů achromatickými metačočkami a holografickými displeji lze získat kompaktní a lehké zařízení pro virtuální obraz, který méně namáhá oči⁴.

Očekává se, že výsledky výzkumu bude možné použít v nejrůznějších multimediálních zařízeních, mj. v přístrojích s prodlouženou realitou (XR). Kromě toho najdou nové poznatky uplatnění v různých optických systémech, např. v displejích, fotoaparátech, kamerách a senzorech, protože přinášejí vyšší kvalitu a umožňují snížit rozměry.

Prostřednictvím spolupráce s akademickou institucí se Samsungu podařilo celý proces od inovativního konceptu až po implementaci validovat a potvrdit tak potenciál pokročilých optických systémů budoucnosti. Tímto způsobem vznikají zobrazovací technologie příští generace.

Samsung i nadále pokračuje ve vědecké a výzkumné činnosti s cílem objevovat převratné technologie, které utvářejí budoucnost. K tomu je zapotřebí vedle dalších iniciativ i neustálá spolupráce s akademickými institucemi.

[1] Konvexní čočka mívá obvykle tloušťku několik milimetrů, někdy i víc než centimetr. Metačočky jsou podstatně tenčí, většinou méně než 0,5 mm.

[2] Chromatická aberace je jev, k němuž dochází, když objektiv nedokáže zaostřit různé vlnové délky barev do jedné roviny. Na fotografiích se projevuje se barevnými okraji na přechodech mezi jasy a stíny.

[3] V porovnání s předchozími návrhy achromatických metačoček jsou výsledkem tohoto výzkumu metačočky 3-5x větší, při zachování stejné ostřící vzdálenosti a světelnosti.

[4] Po korekci chromatické aberace pomocí holografického zobrazení se obrazová kvalita zvýší o 13 %. K měření obrazové kvality se používá obvyklá metoda detekce odstupu signálu od šumu (PSNR).

Kdysi by to znělo jako sci-fi, dnes je to realita. Konkrétně tzv. prodloužená realita, anglicky eXtended reality, pro kterou se používá zkratka XR. Díky ní můžeme vnímat okolní svět úplně jinak.

XR je obecný termín pro několik různých technologií, které pomocí digitálních nástrojů rozšiřují či mění realitu tím, že nechávají prolínat skutečný svět s digitálním. Patří sem známá virtuální realita (VR), rozšířená či augmentovaná realita (AR), smíšená realita (MR) a další podobné technologie, které jsou dosud ve vývoji. Technologie XR nabízejí v podstatě neomezené možnosti – vytvářejí dynamické prostorové prostředí, kde uživatelé můžou pomocí zraku, zvuku a pohybu interagovat s okolím. Může to přinést dosud nepoznané zážitky z nejrůznějších oblastí života od práce a vzdělávání přes zábavu a hraní až po péči o zdraví a tělesnou i duševní pohodu.

Středobodem našich inovací byly vždy zkušenosti a zážitky uživatelů. Je naší povinností nabídnout jim nejlepší možné technologie nejlepším možným způsobem. Důkazem, že to myslíme vážně, je vývoj umělé inteligence Galaxy AI a její rozšíření do přístrojů v mnoha cenových kategoriích. Jsme lídry v oblasti mobilní AI a pevně věříme, že právě teď přišel čas naplno využít potenciál technologií XR. Díky možnostem multimodálních technologií nám XR nabízí maximálně přirozené a intuitivní interakce s okolním světem. S podporou rozsáhlého ekosystému Galaxy můžou tyto technologie zcela zásadně změnit každodenní život – a my to jako jediní můžeme uživatelům zprostředkovat.

Svou vizi měníme ve skutečnost pomocí otevřené spolupráce s dalšími lídry našeho oboru, k nimž patří třeba Google nebo Qualcomm. Dosavadním vrcholem této spolupráce je vytvoření zbrusu nové platformy Android XR. S důležitými partnery spolupracujeme už mnoho let, společně nové technologie navrhujeme, integrujeme i vylepšujeme. A tenhle projekt patří k našim dosud nejambicióznějším.

Odvážné nápady a k tomu špičkové schopnosti a zkušenosti, to je skvělý základ pro robustní a škálovatelnou platformu, kterou lze naplnit obsahem všeho druhu. Každou XR interakci to dokáže maximálně obohatit, od ekosystému Galaxy přes aplikace Google až po partnerství s nezávislými vývojáři.

Nová platforma bude k dispozici pro sluchátka i brýle. Využije potenciál asistenčního systému Gemini a spojí dohromady hlasové uživatelské rozhraní s kontextuálním pochopením okolního světa. Uživatelé budou moct vstupovat do interakcí pomocí jednoduchých gest, ale také hlasem a běžným hovorem. Platforma s přesnými a na míru šitými interakcemi se tak stane skvělou asistenční službou při práci s umělou inteligencí.

Prvním zařízením, na kterém se platforma Android XR představí uživatelům, je náhlavní souprava s pracovním názvem Project Moohan. Moohan korejsky znamená nekonečno a tenhle pojem výborně vystihuje naši touhu nabízet uživatelům jedinečné zážitky v nekonečném prostoru. Souprava se špičkovými displeji, technologií Passthrough a multimodálními vstupy poslouží jako třírozměrné plátno, díky němuž můžou uživatelé zkoumat svět pomocí map Google, naplno si vychutnat sportovní zápolení na YouTube nebo plánovat výlety s asistenční službou Gemini. To vše v lehkém a ergonomickém hardwarovém balení, díky němuž se celý přístroj snadno a pohodlně používá.

„Technologie XR přestávají být vzdáleným příslibem a stávají se dostupnou skutečností. Jsme přesvědčeni, že uživatelům nabídnou nové smysluplné možnosti každodenní interakce s okolním světem, při kterém budou padat fyzické hranice,“ komentuje Won-Joon Choi, výkonný viceprezident a ředitel výzkumu a vývoje v divizi Mobile eXperience. „Budoucnost XR technologií přetváříme ve spolupráci s Googlem a prvním krokem je právě Project Moohan.“

„Díky technologiím XR jsme se dostali do zlomového bodu, za nímž průlomové objevy v multimodální umělé inteligenci umožňují používat technologie v každodenním životě přirozeným a intuitivním způsobem,“ dodává Sameer Samat, ředitel Google pro ekosystém Android. „Ze spolupráce se Samsungem na vývoji ekosystému s technologií Android XR máme velkou radost – zcela se tak změní příští generace nejrůznějších přístrojů, mezi něž patří třeba náhlavní soupravy, brýle a podobně.“

Možnosti technologií XR jsou nekonečné – a to jsme teprve na začátku.