Meta研究用大尺寸动态对焦液晶透镜制造变焦VR头显

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动态对焦透镜能够在中心实现高图像质量,同时支持从-0.80 D到+0.80 D的动态对焦范围和低于500ms的切换速度

映维网Nweon 2022年05月25日)肯特州立大学和Meta Reality Labs的最新研究表明,大尺寸动态对焦液晶透镜可用于制造变焦VR头显。

1. 视觉辐辏调节冲突

困扰现代VR/AR头显的一个重大挑战是视觉辐辏调节冲突。在现实世界中,人眼可以自然地对焦一个对象,而世界的其他元素则脱离焦点。VR/AR的问题是,无论你在数字世界中看向何方,你都只是盯着固定的屏幕,亦即看着相同的距离。换句话说,视觉调节(弯曲眼睛晶状体以聚焦不同距离的对象)永远不会改变,但视觉辐辏(眼睛向内旋转以将每只眼睛的视图重叠成一个对齐图像)却会出现,从而导致视觉辐辏调节冲突。

视觉辐辏调节冲突容易造成用户产生眼睛疲劳,恶心,头晕等问题。针对这种情况,行业厂商纷纷尝试的一个主要解决方案是能够相应地改变焦距或提供不同焦平面的变焦式头显。

2. 寻求解决方案

行业一直在尝试各种方法来实现可以正确支持视觉辐辏和视觉调节的变焦头显。例如全息显示和多焦平面。然而,迄今为止都尚未有人能够带来实用、高性价比、可大规模量产的解决方案来。

对于变焦头显,另一个潜在解决方案是:可以随电压调整而改变焦距的动态对焦液晶透镜。不过,尽管已有原型进行过演示,但大多数都是非常小尺寸。这是因为随着尺寸的增加,转换时间(焦距变化的速度)会明显变慢。

为了实现能够嵌入至现代头显的尺寸,并同时保持足够低的切换时间,肯特州立大学和Meta Reality Labs的研究人员设计了包含一系列“相位重置”的大尺寸动态对焦液晶透镜,类似于菲涅耳透镜中的圆环。但与菲涅耳透镜分割透镜以减小其宽度不同,相位重置段彼此独立供电,所以每个区段中的液晶依然可以快速切换。

3. 实验性的大尺寸透镜

尽管相关论文尚未发表,但团队在SID Display Week 2022进行了介绍。其中,研究人员描述了5cm动态对焦液晶透镜的特性,并测量了其性能和确定了其优缺点。

在“优点”方面,动态对焦透镜能够在中心实现高图像质量,同时支持从-0.80 D到+0.80 D的动态对焦范围和低于500ms的切换速度。

作为参考,90Hz头显每11ms向用户显示一张新帧(每秒90次),而500ms的切换时间相当于2Hz(每秒2次)。尽管要慢于头显帧率,但考虑到眼睛可以调整适应新焦距的速度,这或许属于可行速度范围之内。另外,研究人员认为堆叠多个透镜可以增加切换时间。

在“缺点”方面,由于相位重置段就概念而言类似于菲涅耳透镜中的脊线所引起的光散射,所以当视图接近透镜边缘时,动态对焦液晶透镜的图像质量会下降。

图A-图F是通过动态对焦液晶透镜拍摄的图像,是从中心开始逐渐偏离轴,从0度开始到45度位置所感知的图像质量。

研究人员表示,实验性的动态对焦透镜提供了“在大约30度注视角度内或可接受的(图像质量)值……”,而这与当今大多数采用菲涅耳光学系统的VR头显的图像质量衰减十分相似。

他们进一步指出,为了利用这项技术实际构建变焦头显,动态对焦液晶透镜可以与传统透镜结合,以实现VR头显所需的光学管道。另外,设备需要精确的眼动追踪,从而根据用户注视来正确调整焦点。

团队同时介绍了关于透镜性能的测量方法和基准,但全文尚未发表。

4. Half Dome 3

考虑到Meta参与到这项研究,所以我们非常好奇它与Half Dome 3原型中变焦系统有何不同。

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论文第一作者阿米特·库马尔·布夫米克(Amit Kumar Bhowmick)解释道,Half Dome 3采用了“一堆可切换的半波片,可以通过切换每个半波片来提供可变的透光率。”

Half Dome 3共有六块半波片,每个半波片都可以通过二进制量调整透镜系统的焦距。其中,系统可以创建64个离散焦距,并具有不同的有源和婺源半波片组合。

但他指出:“我们已经证明,(动态对焦液晶透镜)可以通过改变驱动电压来提供连续可调的(焦距)。换句话说,可以在单个液晶透镜中改变(焦距)。所以,我们介绍的方法更简单、更紧凑。”

布夫米克同时提到,动态对焦液晶透镜的性能可媲美Half Dome 3。

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