Nach knapp zehn Jahren Forschung und Entwicklung präsentierte Meta im vergangenen Herbst den ersten Produktprototyp einer vollwertigen AR-Brille: Das Orion genannte Wearable wiegt 98 Gramm und kombiniert erstmals ein weites Sichtfeld von rund 70 Grad mit einem Formfaktor, der annähernd dem einer herkömmlichen Brille entspricht.

Ein technischer Durchbruch, der teuer war: Das AR-Brillenprojekt gilt als das kostspieligste Einzelvorhaben der Metaverse-Abteilung Reality Labs, das VR-Headsets und KI-Brillen herstellt und in das Meta allein seit Ende 2020 knapp 80 Milliarden US-Dollar investiert hat. Orion kann vor diesem Hintergrund als ein Moonshot-Projekt außergewöhnlicher Größenordnung gelten.

Warum die Entwicklung einer alltagstauglichen AR-Brille so komplex ist, zeigt sich an kaum einem Gerät so deutlich wie an Orion und an den zahlreichen technischen Lösungen, die Meta dafür entwickeln und erfinden musste. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf einige der faszinierendsten Aspekte von Orion, auf Metas Pläne mit dem Prototyp und darauf, was nach Orion kommen könnte.

Meta Orion besteht aus drei Komponenten: der AR-Brille, einem externen Taschencomputer und einem sEMG-Armband, das elektrische Muskelsignale in Computereingaben übersetzt. Das Armband wird hier nicht behandelt, da wir ihm bereits einen eigenen Artikel gewidmet haben.

Meta züchtet Kristalle für das AR-Display

Die Entwicklung des Displays war für Meta die bei Weitem größte Herausforderung. Nach intensiver Forschung entschied sich Meta dafür, die Linsen aus Siliziumkarbid (SiC) statt wie üblich aus Glas herzustellen. Das Material ist in seiner reinsten Form transparent und verfügt über einen um 50 Prozent höheren Brechungsindex als Glas, was ein Sichtfeld von 70 Grad mit nur einer optischen Platte ermöglicht.

Die aufwendige Fertigung und Bearbeitung von optischem Siliziumkarbid machen das Display zum mit Abstand teuersten Bauteil: Es verursacht rund 90 Prozent der Herstellungskosten, die bei etwa 10.000 US-Dollar pro Gerät liegen. Das Material, das primär in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt, wird unter kontrollierten Bedingungen in Form von Einkristallen gezüchtet. Da Siliziumkarbid zu den härtesten bekannten Werkstoffen zählt, sind zum Schneiden und Polieren der SiC-Wafer Diamantwerkzeuge erforderlich. Als wäre das nicht genug, ist die Ausbeute brauchbarer Wafer sehr gering.

Für die Herstellung der Wellenleiter, also jener Nanostrukturen in den Linsen, die das Licht der Projektoren aufnehmen und ins Auge lenken, wandte Meta eine neuartige Ätztechnik auf das Siliziumkarbid an. Gemeinsam mit Partnern entwickelte das Unternehmen außerdem die nötigen Werkzeuge und Prozesse für eine industrielle Fertigung der SiC-Wellenleiter.

Siliziumkarbid bietet neben seinem hohen Brechungsindex eine Reihe weiterer Vorteile: Es reduziert die bei AR-Geräten so prominenten Streulichteffekte, verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist leichter als zwei oder mehr Platten aus Glas, die für ein vergleichbar großes Sichtfeld notwendig wären.

Meta hofft nun, dass weitere Unternehmen auf den Zug aufspringen und ebenfalls in die Herstellung von optischem Siliziumkarbid investieren, um die Kosten zu senken. Parallel dazu forscht der Konzern nach alternativen Materialien mit vergleichbaren optischen Eigenschaften, die sich einfacher herstellen lassen.

Mini-Projektoren mit enormer Leuchtdichte

Für die Lichtquelle setzt Meta auf MicroLEDs, eine relativ neue Art von Display, das sich durch seine hohe Leuchtdichte und Energieeffizienz auszeichnet. Beides ist entscheidend für AR-Brillen, da ihre Displays im Freien gegen Sonnenlicht bestehen müssen, gleichzeitig aber nur wenig Spielraum bei Stromverbrauch und Abwärme haben.

Orions MicroLED-Projektoren erreichen eine Leuchtdichte von mehreren Hunderttausend Nits in einem winzigen Formfaktor. Aufgrund der optischen Eigenschaften der AR-Brille kommen beim Auge jedoch nur etwa 300 bis 400 Nits an. Ob das Display auch im Freien sichtbar ist, bleibt unklar: Meta hat die AR-Brille bislang ausschließlich in Innenräumen vorgeführt. Die Projektoren sind die energieintensivste Komponente von Orion und ein wesentlicher Grund, warum die Akkulaufzeit der AR-Brille derzeit auf rund zwei Stunden begrenzt ist.

Die Herstellung von MicroLEDs ist äußerst aufwendig und teuer, was einer breiten Markteinführung bisher im Weg steht. Meta hat speziell für Orion eigene Produktionskapazitäten aufgebaut, was sich langfristig als Wettbewerbsvorteil erweisen könnte.

Der Brillenrahmen dient als Kühlkörper

Eine weitere große Herausforderung war, die AR-Brille effizient zu kühlen. In Orion arbeiten auf engstem Raum zwei lichtstarke Projektoren, sieben Kameras und Sensoren sowie mehrere Chips. Sie erzeugen erhebliche Wärme, die sich bei ungenügender Kühlung im Gesicht und auf der Haut bemerkbar machen und zur Überhitzung der AR-Brille führen.

Ein aktives Kühlsystem kam aus Platz- und Gewichtsgründen nicht infrage. Metas Lösung war, das Brillengestell aus Magnesium zu fertigen und diesen als passiven Wärmeableiter zu nutzen. Magnesium ist bekannt für seine hohe Wärmeleitfähigkeit und Robustheit sowie sein geringes Gewicht. Eigenschaften, die es auch in Formel-1-Rennwagen und Satelliten unverzichtbar machen.

Wie wirkungsvoll diese Entscheidung war, zeigt ein Vergleich mit einer transparenten Version der AR-Brille mit Kunststoffrahmen: Sie überhitzt nach 30 Minuten Nutzung.

Das Display passt sich Temperaturschwankungen an

Für ein klares Bild müssen die optischen Elemente mit einer Genauigkeit von bis zu einem Zehntel der Breite eines menschlichen Haares aufeinander abgestimmt sein. Das besonders verwindungssteife Magnesium trägt dazu bei, diese Stabilität dauerhaft zu sichern.

Dennoch kann es etwa durch Temperaturschwankungen zu minimalen Verformungen kommen. Die AR-Brille erkennt laut Meta selbst kleinste Veränderungen, etwa das Ausdehnen oder Zusammenziehen des Rahmens bei steigenden und fallenden Raumtemperaturen, und korrigiert die optische Ausrichtung digital.

Mehr als zehn maßgeschneiderte Chips

Die passive Kühlung allein würde nicht ausreichen, wenn die Chips zu viel Wärme erzeugten. Meta entwickelte daher eigens für Orion maßgeschneiderte Chips, die auf hohe Energieeffizienz optimiert sind.

Die Chips übernehmen unter anderem die Raum-, Hand- und Blickverfolgung. Meta gelang es, ihren Energiebedarf von mehreren Hundert auf wenige Dutzend Milliwatt zu senken, also ein Bruchteil dessen, was ein VR-Headset wie die Quest 3 für vergleichbare Aufgaben benötigt. Dadurch entsteht auch erheblich weniger Abwärme.

Möglich wurde das durch eine wechselseitige Optimierung von Hard- und Software, wobei weder die Chip-Architektur noch die Algorithmen von vornherein feststanden. „Wir haben das Schiff gebaut, während es aus dem Hafen auslief“, sagt Meta.

Die Entwicklung maßgeschneiderter Chips ist ein enormer Aufwand, der sich jedoch als wichtiger Vorteil erweisen könnte. Schließlich gestaltet und kontrolliert Meta nicht nur die Hardware und Softwareintegration, sondern auch die Chip-Architektur seiner AR-Brillen, ähnlich wie es Apple bei seinen Produkten tut.

Ein (fast) unsichtbares Eye-Tracking

Orion lässt sich auf verschiedene Arten steuern: per sEMG-Armband, Handtracking, Sprachsteuerung und nicht zuletzt durch Blickerfassung.

Mit Orion führte Meta ein neues System zur Blickverfolgung ein: Die Infrarot-Lichtemitter zur Ausleuchtung der Pupillen sind direkt in die Linsen statt in den Brillenrahmen integriert und erscheinen dort als kaum sichtbare, unregelmäßig verlaufende Linien. Ihre organisch geschwungene Form dient der optischen Tarnung.

Die Sensoren sitzen, für das Auge unsichtbar, auf der Innenseite der Brillenbügel und sind auf die Linsen gerichtet. Die Blickverfolgung dürfte über die Spiegelung der Pupillenbewegung in den Linsen realisiert werden.

Ein drahtloser Taschencomputer mit eigenem Funkprotokoll

Längst nicht alle Berechnungen erfolgen lokal auf der AR-Brille: Rechenintensive Prozesse übernimmt ein externer Taschencomputer, den Meta „Compute Puck“ nennt. Ohne ihn wären das geringe Gewicht und der schlanke Formfaktor von Orion nicht realisierbar.

Der Puck ist kompakter als ein Smartphone, aber deutlich leistungsstärker: Ein High-End-SoC und ein KI-Koprozessor von Meta übernehmen gemeinsam die Berechnungen für Apps, Grafik und KI-Funktionen.

Die Verbindung zur AR-Brille erfolgt drahtlos über ein von Meta eigens entwickeltes Funkprotokoll, das auf Wi-Fi 6 basiert. Zwar nutzt auch das AR-Headset Magic Leap einen Compute Puck, dieser ist jedoch kabelgebunden. Um Energieverbrauch und Hitzeentwicklung auf der Brille zu minimieren, werden die Daten nicht kontinuierlich, sondern in Schüben an Orion übertragen. Auch die Apps sind auf dieses Übertragungsprinzip abgestimmt.

Der Compute Puck benötigt keine direkte Sichtverbindung zur Brille und kann daher in der Hosen- oder Handtasche getragen werden. Selbst bei mehreren Metern Abstand bleibt die Verbindung stabil.

Meta prüfte zwischenzeitlich, ob der Puck auch als haptischer Controller für AR-Spiele oder als Trackingkamera nutzbar wäre. Diese Ideen wurden vorerst verworfen. Aktuell liefert der Compute Puck nur die kabellose Konnektivität, Rechenleistung und Energieversorgung für Orion.

Apropos Rechenleistung: Laut Metas CTO ist der Leistungsrahmen von Orion etwa zehnmal geringer als die der Meta Quest. Warum das so ist, ist nicht bekannt. Mögliche Gründe könnten Datenlimits des Funkprotokolls sein oder die Notwendigkeit, den Compute Puck kühl zu halten. Grafisch aufwendige 3D-Spiele sind jedenfalls nicht zu erwarten.

Was bezweckt Meta mit Orion?

Weil Orion noch sehr aufwendig und teuer in der Herstellung ist, plant Meta keine Kommerzialisierung.

Dass Meta die AR-Brille dennoch der Öffentlichkeit präsentiert, hat mehrere Gründe: Zum einen will Meta Investoren zeigen, dass ein greifbares Produkt in Reichweite ist. Zum anderen dient der Prototyp als Aushängeschild für Metas technologische Ambitionen, das Forschungstalente anziehen soll. Darüber hinaus dürfte Meta ein Signal an Wettbewerber wie Google und Apple senden wollen, um neue Investitionen in AR-Technologie anzustoßen. Denn nur durch gemeinsame Anstrengungen lassen sich Schlüsseltechnologien wie Siliziumkarbid-Wellenleiter und MicroLEDs langfristig erschwinglich machen.

Bei einem bloßen Demogerät wird es nicht bleiben: Meta hat rund 1.000 Exemplare der teuren AR-Brille produziert. Sie dienen sowohl internen Zwecken wie der Weiterentwicklung des Betriebssystems, als auch externen Partnern, die auf Basis der Hardware erste Apps für die Plattform entwickeln können. Die produzierte Stückzahl zeigt, dass Meta die AR-Brille als tragfähige technische Grundlage für ein eigenes AR-Ökosystem und kommende Geräte betrachtet.

Erste kommerzielle AR-Brille ist nicht mehr weit

Meta plant laut eigenen Angaben, schon „in naher Zukunft“ AR-Brillen für Endverbraucher auf den Markt zu bringen. Bisherige Berichte gehen vom Jahr 2027 aus.

Metas erste kommerzielle AR-Brille mit dem Codenamen „Artemis“ wird sich in zentralen Aspekten von Orion unterscheiden, so viel hat Meta bereits durchblicken lassen. Sie soll kompakter, leichter und vor allem deutlich günstiger werden: etwa so viel wie ein Premium-Smartphone oder Laptop. Statt Siliziumkarbid wird Meta auf ein günstigeres Material setzen, was mit Einbußen beim Sichtfeld einhergehen wird. Dafür dürfte die Auflösung, Bildschärfe und Helligkeit höher ausfallen als bei Orion, deutete Meta bereits an.

Die AR-Brille wurde bislang nur einem kleinen Kreis unter streng kontrollierten Bedingungen vorgeführt. Schwächen der Technik dürften so kaschiert worden sein. Auch wenn viele Fragen offenbleiben: In technischer Hinsicht dürfte der Prototyp auf absehbare Zeit ein Nordstern für die AR-Branche bleiben.

(tobe)