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動態(tài)對焦透鏡能夠在中心實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量，同時支持從-0.80 D到+0.80 D的動態(tài)對焦范圍和低于500ms的切換速度

（映維網(wǎng)Nweon?2022年05月25日）肯特州立大學(xué)和Meta Reality Labs的最新研究表明，大尺寸動態(tài)對焦液晶透鏡可用于制造變焦VR頭顯。

1. 視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突

困擾現(xiàn)代VR/AR頭顯的一個重大挑戰(zhàn)是視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。在現(xiàn)實(shí)世界中，人眼可以自然地對焦一個對象，而世界的其他元素則脫離焦點(diǎn)。VR/AR的問題是，無論你在數(shù)字世界中看向何方，你都只是盯著固定的屏幕，亦即看著相同的距離。換句話說，視覺調(diào)節(jié)（彎曲眼睛晶狀體以聚焦不同距離的對象）永遠(yuǎn)不會改變，但視覺輻輳（眼睛向內(nèi)旋轉(zhuǎn)以將每只眼睛的視圖重疊成一個對齊圖像）卻會出現(xiàn)，從而導(dǎo)致視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。

視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突容易造成用戶產(chǎn)生眼睛疲勞，惡心，頭暈等問題。針對這種情況，行業(yè)廠商紛紛嘗試的一個主要解決方案是能夠相應(yīng)地改變焦距或提供不同焦平面的變焦式頭顯。

2. 尋求解決方案

行業(yè)一直在嘗試各種方法來實(shí)現(xiàn)可以正確支持視覺輻輳和視覺調(diào)節(jié)的變焦頭顯。例如全息顯示和多焦平面。然而，迄今為止都尚未有人能夠帶來實(shí)用、高性價比、可大規(guī)模量產(chǎn)的解決方案來。

對于變焦頭顯，另一個潛在解決方案是：可以隨電壓調(diào)整而改變焦距的動態(tài)對焦液晶透鏡。不過，盡管已有原型進(jìn)行過演示，但大多數(shù)都是非常小尺寸。這是因?yàn)殡S著尺寸的增加，轉(zhuǎn)換時間（焦距變化的速度）會明顯變慢。

為了實(shí)現(xiàn)能夠嵌入至現(xiàn)代頭顯的尺寸，并同時保持足夠低的切換時間，肯特州立大學(xué)和Meta Reality Labs的研究人員設(shè)計(jì)了包含一系列“相位重置”的大尺寸動態(tài)對焦液晶透鏡，類似于菲涅耳透鏡中的圓環(huán)。但與菲涅耳透鏡分割透鏡以減小其寬度不同，相位重置段彼此獨(dú)立供電，所以每個區(qū)段中的液晶依然可以快速切換。

3. 實(shí)驗(yàn)性的大尺寸透鏡

盡管相關(guān)論文尚未發(fā)表，但團(tuán)隊(duì)在SID Display Week 2022進(jìn)行了介紹。其中，研究人員描述了5cm動態(tài)對焦液晶透鏡的特性，并測量了其性能和確定了其優(yōu)缺點(diǎn)。

在“優(yōu)點(diǎn)”方面，動態(tài)對焦透鏡能夠在中心實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量，同時支持從-0.80 D到+0.80 D的動態(tài)對焦范圍和低于500ms的切換速度。

作為參考，90Hz頭顯每11ms向用戶顯示一張新幀（每秒90次），而500ms的切換時間相當(dāng)于2Hz（每秒2次）。盡管要慢于頭顯幀率，但考慮到眼睛可以調(diào)整適應(yīng)新焦距的速度，這或許屬于可行速度范圍之內(nèi)。另外，研究人員認(rèn)為堆疊多個透鏡可以增加切換時間。

在“缺點(diǎn)”方面，由于相位重置段就概念而言類似于菲涅耳透鏡中的脊線所引起的光散射，所以當(dāng)視圖接近透鏡邊緣時，動態(tài)對焦液晶透鏡的圖像質(zhì)量會下降。

圖A-圖F是通過動態(tài)對焦液晶透鏡拍攝的圖像，是從中心開始逐漸偏離軸，從0度開始到45度位置所感知的圖像質(zhì)量。

研究人員表示，實(shí)驗(yàn)性的動態(tài)對焦透鏡提供了“在大約30度注視角度內(nèi)或可接受的（圖像質(zhì)量）值……”，而這與當(dāng)今大多數(shù)采用菲涅耳光學(xué)系統(tǒng)的VR頭顯的圖像質(zhì)量衰減十分相似。

他們進(jìn)一步指出，為了利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際構(gòu)建變焦頭顯，動態(tài)對焦液晶透鏡可以與傳統(tǒng)透鏡結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)VR頭顯所需的光學(xué)管道。另外，設(shè)備需要精確的眼動追蹤，從而根據(jù)用戶注視來正確調(diào)整焦點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)同時介紹了關(guān)于透鏡性能的測量方法和基準(zhǔn)，但全文尚未發(fā)表。

4. Half Dome 3

考慮到Meta參與到這項(xiàng)研究，所以我們非常好奇它與Half Dome 3原型中變焦系統(tǒng)有何不同。

延伸閱讀：Meta展示Half Dome第三代原型機(jī)，電子變焦，輕巧舒適，開啟未來之門

論文第一作者阿米特·庫馬爾·布夫米克（Amit Kumar Bhowmick）解釋道，Half Dome 3采用了“一堆可切換的半波片，可以通過切換每個半波片來提供可變的透光率?！?/p>

Half Dome 3共有六塊半波片，每個半波片都可以通過二進(jìn)制量調(diào)整透鏡系統(tǒng)的焦距。其中，系統(tǒng)可以創(chuàng)建64個離散焦距，并具有不同的有源和婺源半波片組合。

但他指出：“我們已經(jīng)證明，（動態(tài)對焦液晶透鏡）可以通過改變驅(qū)動電壓來提供連續(xù)可調(diào)的（焦距）。換句話說，可以在單個液晶透鏡中改變（焦距）。所以，我們介紹的方法更簡單、更緊湊?！?/p>

布夫米克同時提到，動態(tài)對焦液晶透鏡的性能可媲美Half Dome 3。

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