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Evaluation of self-focusing image formation for the development of an unconventional near eye display for augmented reality applications
Résumé
Les dispositifs de Réalité Augmentée (RA) comme les écrans proches de l’œil (Near Eye Display ou NED) nécessitent à la fois une conception esthétique et des performances élevées. Les NED conventionnels sont très limités par les contraintes de conception liées aux principes de l’optique. Notre concept non conventionnel, basé sur l'effet d'autofocalisation, tente de surmonter ces contraintes.
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L'idée est d'émettre directement le champ lumineux à la surface du verre de manière à ce que l'œil puisse former une image sur la rétine. Cela permet de concevoir des lunettes sans système optique entre l'œil et l'écran. Cette ambition nécessite d'associer les technologies de la photonique intégrée, de l'holographie, et de la mise en œuvre d'effets diffractifs. Ma thèse porte sur la description théorique et la validation expérimentale de l'effet d'autofocalisation dans le prototype NED conçu au CEA-LETI. Elle est orientée vers la compréhension, la simulation et l'évaluation expérimentale de la relation entre la distribution des points émissifs (EPD) et le motif autofocus (spel). Différents types d'EPD ont été étudiés et une EPD réalisable a été identifiée. J'ai proposé une métrique pour évaluer la qualité de la formation du spel et simulé une projection autofocalisée. Les performances de cette l'EPD ont été validées expérimentalement avec une configuration imitant notre NED non conventionnel. Dans la deuxième partie de ce travail, j'ai étudié la capacité de formation d'images de l'effet d'autofocalisation, à l'aide de simulations basées sur une approche simplifiée de la formation de spels, puis d’une validation expérimentale avec une configuration de formation d'images autofocus..Augmented Reality (AR) devices such as Near Eye Displays (NEDs) require both aesthetic design and high performance. Conventional NEDs are strongly limited by optical design constraints related to the basic principles of geometric optics. Our unconventional concept based on the self-focusing effect tries to overcome these constraints. The main idea of the self-focusing prototype is to emit directly the light field at the surface of the glass in a way the eye can form an image on the retina. It let us design a smart glasses prototype without an optical system between the viewer’s eye and the display. This ambition demands the association of technologies in integrated photonics, holography, and the implementation of diffractive effects. My research is focused on the theoretical description and experimental validation of the self-focusing effect for the NED-prototype image formation conceived in CEA-LETI. It is particularly oriented toward the understanding, simulation, and experimental evaluation of the relation between Emissive Points Distribution (EPD) and self-focused pattern (spel). Various types of EPD were studied and a feasible EPD was proposed. I proposed a metric to evaluate the quality of spel-formation and simulated self-focusing projection of our concept. The self-focusing performance of EPD was validated experimentally with a setup imitating our unconventional NED. In the second part of the work, I investigated the image formation capability of the self-focusing effect. Firstly, it was done with simulations based on a simplified spel-formation approach and then validated experimentally with a self-focusing image formation setup.