Virtuaalne võrkkesta kuvar

Virtuaalne võrkkesta kuvar (inglise keeles Virtual Retinal Display; lühend VRD) on pildi kuvamise tehnoloogia, mis kuvab pildi otse silma võrkkestale. Kasutaja näeb, et tema ees oleks justkui tavaline ekraan, mis hõljub õhus tema ees.

Süsteem

Tüüpilise kuvari puhul luuakse reaalne pilt ekraanil. Reaalset pilti vaadatakse otse ekraanilt või nagu paljude peaskantavate ekraanide puhul, projekteeritakse optilise süsteemi kaudu ja tulemuseks saadud virtuaalset pilti on võimalik näha. Projektsioon liigutab virtuaalse pildi kaugusele, kus silmal on võimalik mugavalt seda fookustada.

Virtuaalse võrkkesta kuvari puhul luuakse pilt otse võrkkestale, jättes ära vaheprotseduuri, milles pilt üldse luuakse mingile ekraanile. Virtuaalse võrkkesta kuvar kasutab pildi loomiseks footonite allikat (või kolm allikat, värvilise pildi kuvamiseks), mis genereerib koherentset valguskiirt. Koherentse allika kasutamine lubab süsteemil joonistada difraktsioon piiratud alasse võrkkestal. Valguskiire intensiivsus moduleeritakse vastama moodustatava pildi tugevusega. Moduleeritud pilt kuvatakse pärast valguskiire tekkimist.

Tulemuseks saadud moduleeritud kiir skannitakse, et paigutada iga pildipiksel võrkkestal õigesse kohta. Kiirt saab skannida mitmel viisil. Skannimiseks saab kasutada vektorkuju, milles pildil olevad jooned tekivad otse, või rasterkuju, mida kasutatakse peamiselt tänapäevastes kuvarites või telerites, kus pilt kuvatakse aegamööda. Horisontaalne skanner liigutab valguskiirt, et joonistada rida piksleid. Vertikaalne skanner liigutab kiire üles, et horisontaalne skanner saaks selle järel joonistada järgmise rea pikslid (lihtsam on seda ette kujutada kineskoopkuvari ekraanil väiksema kaadrite arvuga sekundis kuvatavat pilti hoolikalt uurides – siis on näha, kuidas üks must riba läbib konstantselt ekraani).

Pärast skannimist peab optilise kiire ülima täpsusega projekteerima silma. Virtuaalse võrkkesta kuvari kiire positsioon peab olema komplanaarne (paiknema täpselt samal geomeetrilisel tasandil) inimese silmaga. Objektiiv fookustab kiire võrkkestale, moodustades punkti. Positsioon võrkkestal, kus silm fookustab punkti sõltub nurgast, mille alt valgus siseneb silma. See nurk sõltub skannerist ja on pidevalt muutuv horisontaalselt liikuva kiire asukoha muutumise tõttu. Heledus sõltub valguskiire intensiivsusest. Moduleeritud liikuv punkt, fookustatud läbi silma, joonistab pildi võrkkestale. Silma püsivus lubab pildil jääda stabiilseks ja pidevaks silmas. Lõpuks, elektroonika sünkroonib skannerid ja intensiivsuse ning sissetuleva video signaali sellisel kujul, et stabiilne pilt on loodud.

Võrdlus vedelkristallkuvarite ja teiste kuvaritega

Vedelkristallkuvarid (LCD) olid meil veel hiljuti informatsiooni ja meelelahutuse esitamiseks peamised kuvaseadmed. Pilt, mis on genereeritud elektrooniliselt ja mida vaadeldakse läbi silma optilise süsteemi. Vaadeldava pildi kvaliteeti ei sõltu mitte ainult silma optilisest süsteemist, vaid ka sellest, milline on kuvatava pildi kvaliteet elektroonilises vahendis.

Virtuaalse võrkkesta kuvariga saab mööduda mitte ainult elektroonilise seadme pildi kuvamise defektidest, vaid ka sima enda omadest. Inimesed, kellel on kahjustatud silma sarvkest või silma lääts, saavad virtuaalset võrkkesta kuvarit ikkagi kasutada, sest need ei mõjuta pildi kvaliteeti, mis kuvatakse silma võrkkestale. Lisaks ei teki probleeme ka keskkonna kuvamisega, ei ole oluline, kui valge väljas on või mis nurga all kasutaja oma pead hoiab.

Kuigi virtuaalne võrkkesta kuvar on väljundseade, siis tehnoloogiat saab kasutada ka sisendseadmena. Nimelt kasutab see eyegaze ja eye tracking tehnoloogiat, mida tänapäeval kasutatakse professionaalses videotöötluses ning mis aitab puuetega inimestel suhelda.

See lähenemine annab eelised tüüpiliste kuvarite ees:

• Toode ise on väga kerge ja väike, saab kanda koos prillidega.

• Suur vaateväli, üle 120 kraadi

• Suur resolutsioon, ligilähedal inimese silmanägemisele

• Rohkem värve kui tavalisel kuvaril

• Heleduse ja kontrasti suhe on piisav väljas kasutamiseks

• See on 3D-kuvar koos sügavuse mooduliga.

• Võimalik kasutada ka inimestel, kellel on nägemisega probleeme

Silm

Kerge ülevaade sellest, kuidas silm kujutab pilti, annab parema ülevaate virtuaalse võrkkesta kuvari tööst.

Allikas kiirgab valguslaineid, mis levivad üha lainevates ringides ümber punkti. Silma pupill, vaadates allikat, näeb väikest osa lainest. Laine osa kumerus sõltub sellest, kui kaugel on silm valgusallikast. Mida kaugemale allikas liigub, seda vähem laineosakeste kumerust näha. See on laineosa kumerus, mis määrab ära selle, mida silm peab fookustama, et luua terav pilt.

Kui silm on tohutu kaugel valgusallikast, siis laine osa ei ole enam kumer, vaid on tasane. Silma lääts kujutab tasased lained punktile võrkkestal. Punkti suurus on limiteeritud kõrvalekaldest silma läätsed ja difraktsioonist, mis tekib, kui valgus liigub läbi pupilli. Nurk, mille alt tasane laine siseneb silma, määrab ära selle, kus kohas võrkkestal punkt moodustatakse. Kaks punkti fookustavad eri kohti võrkkestal, sest laineosad ristuvad pupillil eri nurkade alt.

Kõrvalekallet silma läätses eirates on võimalik määrata silma lahutusvõime limiit, põhinedes difraktsioonile pupillis. Kasutades Rayleigh’ kriteeriumi, arvutatakse minimaalne nurklahutus järgmiselt:

$\mathbf {Nurklahutus} ={\frac {1,22\lambda }{D}}$

Tähised
D – pupilli diameeter
lambda – valguse lainepikkus

Ajalugu

Sarnaseid süsteeme on toodetud varemgi, milles projekteerite fookustamata pilt otse inimese silma „väikselt“ ekraanilt, mis oli klaasiks suurtel prillidel. Kasutaja fookustas oma silmad taustale, kus ekraan näis olevat hõljuv. Selle süsteemi peamisteks miinusteks oli limiteeritud ala, mida ekraan suutis katta; suur raskus, mida põhjustas telerisarnaste ekraanide kandmine ja fakt, et pilt oli terav ainult juhul, kui kasutaja vaatas teatud kaugusele. Limiteeritud heledus muutis nad kasutatavaks ainult siseruumides.

Virtuaalne võrkkesta kuvar muutus praktiliseks ainult hiljutiste muutuste tõttu, mille käigus on välja arendatud kõrge-heledusega LED-tuled. Need teevad kuvarid piisavalt heledaks, et neid saaks kasutada päevasel ajal. Arendus kohanemisvõimelises optikas on jõudnud paika, mis lubab süsteemil dünaamiliselt korrastada ebakorrapärasusi silmas (kuigi seda ei pruugi alati vaja minna). Tulemuseks on kõrge lahutusvõimega ekraanitu kuvar, ideaalsete värvide ning heledusega, mis on oluliselt parem, kui parimad telerid tänapäeval.

Virtuaalse võrkkesta kuvari leiutas Kazuo Yoshinaka, Nippon Electric Co-st aastal 1986. Hilisem töö Washingtoni Ülikoolis tõi sarnase tulemuse aastal 1991. Enamus uurimistöid virtuaalse võrkkesta kuvari arenduse suhtes on senini olnud kombineeritud mitmesuguste virtuaalreaalsuse süsteemidega. Virtuaalse võrkkesta kuvaril on potentsiaalne eelis olla palju väiksem kui olemasolevatel teleri tüüpi süsteemidel. Kuigi nad jagavad samu nõrku külgi – nad vajavad optikat, et saata pilt silma, tüüpiliselt sarnane päikeseprillide süsteemiga, mida on kasutatud varasemates süsteemides. Virtuaalset võrkkesta kuvarit saab kasutada ka kui osa kantavast arvutisüsteemist või ühendada seadme oma nutitelefoniga.

Eelised

Sõltumata eelnevalt mainitud eelistest, virtuaalse võrkkesta kuvari süsteem, skannida valgus ainult ühte silma, lubab kuvada pilte üksteise peale. Näiteks linnas jalutades, kuvab kasutajale ette virtuaalse kaardi, millist teed mööda on kõige kiirem sihtkohta jõuda.

Virtuaalse võrkkesta süsteem saab kuvada pildi mõlemasse silma piisavalt erineva nurga all, et kujutada kolme dimensioonilisi vaatepilte kõrge täpsusega. Näiteks kui seda rakendada arvutimängudele, siis mängurid saaksid elamuse, mida vedelkristallkuvaritega prillid ei suudaks kunagi pakkuda, sest virtuaalse võrkkesta süsteem suudab ümber fookustada dünaamiliselt, et muuta lähedal ning kaugel asuvad objektid veelgi reaalsemaks.

Veel üks tähtis eelis on privaatsus. Ainult kasutaja näeb, mis pilt kuvatakse, sest pilt kuvatakse otse tema võrkkestale ning kõrvalseisjal ei ole võimalik kindlaks teha, mis informatsiooni seadme kasutajale kuvatakse.

Turvalisus

Usutakse, et virtuaalse võrkkesta kuvamise seade ei ole kahjul inimese silmale, sest nendest kiirguv valgus on palju nõrgem, kui neil, mida peetakse kahjulikuks nägemisele. Kiir jaguneb silmas laiemalt ning ei jää ühele punktile pidama pikemaks ajaks.

Kindlustamaks, et seade on turvaline, rakendati arendamisel rangeid turvalisuse standardeid (seatud Ameerika Standardite Instituudi ja Rahvusvahelise Elektrotehnilise komisjoni poolt). Optiline kahjustus laserite poolt tuleneb tüüpiliselt sellest, et selle kiir koguneb väga kitsale alale. Sellele probleemile on virtuaalselt võrkkestale kuvamise seadme puhul lahendus leidnud, sest pilt skannitakse ning fookustatud kiir liigub konstantselt punktist punkti ega peatu ühe koha peal.

Kui laser peatub, tekitab see jäädava kahjustuse silmale, sest kiir on fookustatud ühte kohta. Seda saab vältida avariisüsteemiga, mis tuvastab situatsiooni ning lülitab laseri välja.

Leedide arendus

Virtuaalne võrkkesta kuvar ei vaja tööks palju energiat, kuigi kuidagi peab valgust koguma ning fookustama punkti. See on laserite omadus, kuid mitte leedide. Areng LED-tehnoloogias on vajalik, et tulevikus keskenduda valguse eraldumiseks nendelt seadmetelt.

Kasutusalad

Sõjatehnoloogia

Virtuaalset võrkkesta kuvarit uuriti, et asendada see sõdurite kiivri küljes olevate ekraanidega. Siiski, ükski virtuaalne võrkkesta kuvar ei ole jõudnud veel tasemele, et teda kasutada ning hetkel sõjatehnoloogia keskendub holograafide loomisele.

Meditsiin

Keerulistes olukordades saab kirurg vaadelda oma patsienti vererõhku või südame löökide arvu. Keerukamates olukordades saab kirurgile kuvada informatsiooni eelnevalt kogutud informatsiooni kohta, näiteks kus kasvaja paikneb ning milline on täpne struktuur inimese organismis.

Meelelahutus

Seadmeid on võimalik kasutada inimestega suhtlemiseks, navigeerimiseks ja meelelahutuseks – nagu arvutimängude mängimiseks ülimalt reaalsel tasemel ja filmide vaatamiseks maksimaalsel kvaliteedil.

Valmis tooted

Google Glasses

Google Glass on miniatuurne arvutisüsteem koos optiliste kuvarprillidega. Lihtsamalt öeldes on tegemist nutitelefonisarnase prillikomplektiga, mis suhtleb kasutajaga tavaliste ja loomulike häälkäskude abil. Loomulikult on tegu vabakäesüsteemiga ehk selle juhtimiseks ei ole vaja käsi kasutada. Parema prillisanga küljes olev puutepadi ei tee käte kasutust prillide juhtimiseks aga võimatuks. Google Glasses on mõeldud laiatarbetooteks ning suunatud pigem tavakasutajale, kes soovib leida lähimat raamatupoodi, navigeerida võõras linnas või suhelda sõpradega mugaval viisil.

Oculus Rift

Oculus Rift on peas kantav kuvar, mis on loodud mänguritele ja mida tutvustati juunis 2013. See seade on veel arendusjärgus ning ainult tarkvara arendajatel on võimalik tootega tutvuda. Praegune versioon on 7-tollise ekraaniga.

Aveganti virtuaalse võrkkesta kuvari prototüüp

Aveganti virtuaalse võrkkesta kuvar on kõige lähedasem Oculus Riftile. Seda hakati arendama 2013. aasta alguses. Tegemist on prototüübiga, mille töönimi on Avegant Virtual Retinal Display, mis ei ole aga toote lõplik nimi. See kasutab kahte RGB-leedvalgustit, mis mõlemad eraldavad kontrollitud arvu valgust otse võrkkestale. Tehnoloogia, mida kutsutakse „micromirror“ tehnoloogiaks (eesti keeles mikropeegeltehnoloogia), kasutab miljoneid mikropeegleid, mis peegeldavad valguse täpselt õigesse punkti. Kui mikropeeglitehnoloogia tundub tuttav, siis seda kasutati vanades DLPtelerites ning tänapäevastes DMD projektorites.

Prillid kasutavad 9-mõõtmelist juhtivussüsteemi (güroskoop, kiirendusmõõtur, kompass), et täpselt aru saada, kuidas kasutaja pead liigutab. Aveganti prototüüp suudab kuvada pilti resolutsiooniga 1280x768.