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Der Unterschied zwischen Pancakes-Linsen und den aktuellen Fresnel-Linsen in VR-Headsets

Was haben die HTC Vive Flow, die EM3 Ether und das kommende Project Cambria von Meta gemeinsam? Neben einem stylischen und dünnen Design, die Pancake-Linsen-Technologie. Was sind die Unterschiede zwischen der Pancake-Optik und aktuellen Virtual-Reality-Linsen und was bedeutet das für die Zukunft von VR-HMDs?

Die aktuellen Fresnel-Linsen

Wenn Verbraucher und Unternehmen, die nicht in die VR/AR-Nachrichtenströme investiert sind, an Virtual-Reality-Brillen denken, denken sie an sperrige Schuhschachteln, die man sich auf den Kopf schnallt. Das stimmt, auch wenn Designabteilungen seit dem Wiederaufleben von VR im Jahr 2012 versucht haben, diese Einstiegshürde zu umgehen. Selbst Technikbegeisterte und Branchenexperten kennen viele Details über das Display in VR-Headsets: Wie hoch ist die Pixeldichte pro Zoll? Ist die Bildwiederholrate hoch? Wie farbgetreu ist der Bildschirm? Und so weiter. Doch so wichtig das Display auch ist, so entscheidend ist auch der Schlag aus Glas oder Kunststoff.

Fresnel-Linsen funktionieren genauso wie Leuchttürme, indem sie eine vorhandene Lichtquelle lenken und verstärken. Ihre Wurzeln gehen auf Augustin Fresnel in den frühen 1800er Jahren zurück und haben den Spitznamen: „Die Erfindung, die Millionen von Schiffen gerettet hat“. Die Linse funktioniert wie ein Ring aus kristallinen Prismen, die in einer facettierten, „bienenstockartigen“ Kuppel angeordnet sind und das gebrochene Licht reflektieren.

Grob gesagt sind die aktuellen Virtual-Reality-HMDs so, als ob man sich einen Bildschirm mit Leuchtturm auf das Gesicht schnallen würde. Das erfordert natürlich viel Platz zwischen dem Display und der Fresnel-Linse selbst. Das führt dazu, dass das Headset größer wird, mehr Gewicht hat und einen großen Formfaktor aufweist.

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Das Aufkommen des Pancake-Objektivs

In der Technologie gibt es die Tatsache, dass Technik immer erschwinglicher wird und versucht, immer kompakter zu werden. Diese beiden Naturgesetze gelten für Smartphones, Laptops, Chips, VR- und AR-Headsets gleichermaßen.

Augmented Reality strebt nach Erschwinglichkeit und Dünnheit und wird durch Iterationen des neuartigen Waveguide-Designs vorangetrieben. Zukünftige Virtual-Reality-Headsets werden wahrscheinlich von der Pancake-Linsen-Technologie angetrieben werden.

Die Pancake-Technologie selbst ist nicht neu. Das Militär und die Wissenschaft nutzten die Pancake-Optik schon lange vor der virtuellen Realität. Der erste Prototyp eines Pancake-VR-Headsets wurde 2015 von eMargin vorgestellt, und Kopin, der führende Entwickler von tragbaren Headset-Komponenten, legte 2017 mit seiner Version namens Kopin Elf nach.

In letzter Zeit haben HuaweiHTCPico, und EM3, entweder kommerzielle Headsets auf den Markt gebracht oder konzeptionelle Beispiele dafür gezeigt, was möglich ist. Pancake-fähige VR-Headsets verwandeln die sperrige Wahrnehmung der virtuellen Realität in stylische Modesymbole mit einem dünneren und leichteren Design und machen die virtuelle Realität für die Mehrheit der Verbraucher zugänglicher.

Das bedeutet, dass der VR-Markt zum Nutzen aller in der Branche wächst. Je größer der Markt ist, desto fortschrittlicher und innovativer wird VR/AR und desto besser wird die Branche.

Die Unterschiede zwischen Pancake- und Fresnel-Linsen und was das alles bedeutet

Kopin kündigte Mitte Juni 2021 ein Pancake-Objektiv aus Vollkunststoff mit der Bezeichnung P95 an. Dr. John C.C. Fan, CEO und Gründer der Kopin Corporation, erklärte, dass es „speziell für die Verwendung mit unseren 2,6K x 2,6K OLED-Mikrodisplays mit hoher Helligkeit optimiert ist. Diese neue Technologie wäre ideal für VR“ und fährt fort: „Dieser Durchbruch ist ein grundlegender Meilenstein für den aufstrebenden VR-Markt. Sperrige, schwere Headsets waren viele Jahre lang ein großes Hindernis für eine schnellere Akzeptanz bei den Verbrauchern.“

Beim Vergleich von Fresnel- und Pancake-Linsen gibt es ein paar Faktoren zu beachten. Woher das Licht auf dem Bildschirm kommt und die Form der Linse. Die Zeit, die das Licht beim Eintritt in die Linse und beim Austritt benötigt. Und auch die Wellenlänge (Farbe) des Lichts selbst.

Die Fresnel-Linse bietet im Vergleich zur Pancake-Linse ein großes Sichtfeld, ist aber anfällig für chromatische Aberrationen (Geisterbilder/überlappende Farben). Außerdem muss die Software-Kalibrierung, die viel Rechenleistung benötigt, die so genannte „Nadelkissen Verzerrung“ der Fresnel-Linse berücksichtigen. Diese Verzerrung ist vergleichbar mit einem Bild, das an allen vier Ecken gestreckt ist. Die Software muss das Bild dann künstlich weiter strecken, um die Sicht des Trägers zu normalisieren – und das alles in Echtzeit.

Beim Pancake-Verfahren hingegen werden viele Linsen in einer Kurve zusammengefaltet, wodurch das Licht im Glas oder Kunststoff gebündelt wird. Dadurch wird der Abstand zwischen den Augen des Trägers und dem Display verringert. Dadurch können VR-HMDs dünner und leichter sein und gleichzeitig mehr Rechenleistung freisetzen, da das Problem der Verzerrung beim Pancake nicht auftritt. Und schließlich gibt es beim Pancake-Design keine chromatische Aberration wie beim Fresnel.

Der Nachteil der Pancake-Optik im Vergleich zur Fresnel-Optik liegt darin, dass das Licht in der Linse selbst gebündelt wird, was zu einer geringen Lichtausbeute führt. Deshalb hat John C.C. Fan, der Gründer von Kopin, darauf hingewiesen, dass die P95 Pancake-Linse gut mit „sehr hellen Mikrodisplays“ funktioniert. Auch das Problem des Ghostings ist eine Plage für die Pancake Linse.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Pancake im Vergleich zu Fresnel mehr Vorteile als Nachteile bietet, sowohl in Bezug auf die wahrgenommene Bildqualität als auch auf den deutlich schlankeren und leichteren Formfaktor, den Pancake ermöglicht.

Fazit

Wie Augmented Reality ist auch VR auf dem Weg in eine schlankere und leichtere Zukunft. Eine Designphilosophie, die den VR-Markt erweitert, da auch Gelegenheitskonsumenten ein Interesse daran haben werden, ein VR-HMD anzuschaffen. Dies wird den Markt für virtuelle Realität reifen lassen und die Technologie durch zusätzliche Dienstleistungen weiter vorantreiben.

Der beste Indikator für diesen Trend war das HTC Vive Flow, das sich auf ein stylisches Design, ein breiteres Kundensegment und die Differenzierung durch nicht-technische Elemente wie Meditation konzentriert.

Die Technologie, die hinter diesem Trend steht, ist das Pancake-Objektiv, das an sich nichts Neues ist, aber für VR-HMDs revolutionär. Es wird stylische Designs hervorbringen, die ein breiteres Publikum ansprechen und sich von externen Geräten wie einem fähigen Laptop oder Smartphone abkoppeln lassen.

2022 und darüber hinaus wird die Zeit sein, in der die virtuelle Realität sowohl in Bezug auf die Hardware als auch auf die Anwendungsfälle ausgereift ist, und die noch nicht oft genug erwähnte Technologie, die Pancake-Optik, wird dies ermöglichen.

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