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纳米技术研究人员离完美的增强/虚拟现实头戴设备”超透镜”更近一步

未来的AR和VR头盔可能拥有更清晰、更轻薄的透镜,这要归功于一种利用纳米技术的新制造工艺。这种工艺不仅可以缩小透镜的厚度,还可以纠正VR头盔当前使用的透镜常见的色彩失真问题。

来自哈佛大学的Capasso小组提供的图片,显示了纳米透镜中的无法想象的小且离散的纳米结构可以以不同的弯曲程度改变进入的光线。| 图片由哈佛大学Capasso小组提供(知识共享署名-禁止修改)
更新(4/24/18):哈佛的研究人员在《The Conversation》的一篇文章中分享了他们在纳米透镜研究方面的新进展。
虽然之前已经展示过1毫米厚的纳米透镜可以将进入的光线弯曲到一个焦点,但研究人员表示,他们已经改进了设计,使得可以任意调节透镜上不同点通过的光线传输速度。通过调节传输速度,可以使得光线同时到达焦点,从而得到更清晰的图像,研究人员说道。

要使得[来自透镜边缘的光线]能够[同时到达焦点],[边缘的光线]必须比[中心的光线]传播得更快。所以我们制造了一些传输光线更快的纳米结构,还制造了一些传输光线更慢的纳米结构。我们将传输速度更快的纳米结构放在透镜的边缘,这样光线在边缘的传输速度就会比中间的部分更快。这有效地帮助了来自透镜边缘的光线追赶中间的光线,使得所有的光线能够一起聚焦。

尽管纳米技术听起来很奇特(且昂贵),研究人员表示,这种方法可以带来更好、更便宜的透镜,并特别提到头戴显示器作为潜在的应用:

一旦设计好,纳米透镜可以作为更广泛的批量生产过程的一部分来制造:例如VR头盔或增强现实眼镜。它们还可以用来代替智能手机和笔记本电脑上更昂贵的研磨玻璃相机镜头,减轻便携设备的重量、厚度和成本。

原始文章(2/26/15):这一消息来自哈佛工程与应用科学学院(SEAS),详细介绍了一种原型“平板透镜”的技术改进,现在使用了他们所称的“玻璃基板和微小的、集光硅天线”来改变光线的方向。
与过去的“平板透镜”不同,更新的设计使用了纳米级别的硅天线来立即弯曲进入的光线。得益于新引入的电绝缘材料,这些硅天线现在可以以可变的角度将红、绿和蓝(显示器中使用的三原色)光线在可见光谱中改变方向。
哈佛SEAS的首席调查员Federico Capasso教授表示:“这意味着现在可以在一个非常薄小的设备中实现复杂的色彩校正效果,传统的光学系统需要通过几个厚透镜依次通过光线来实现。将现代VR头盔中的笨重透镜替换为新一代的“平板透镜”不仅可以显著减小头盔的体积和重量,还可以完全消除“色差”,即因为不同颜色的光线在透镜上以稍微不同的角度弯曲而导致的颜色不一致问题。

传统上,这种现象通过添加一系列透镜来创建一个庞大的无色差透镜组来进行校正,以将光谱中的红、绿和蓝色接近中心焦点。透镜越多,越接近“完美”,但这种解决方案会增加成本、重量和体积。
Oculus提供的消色差校正示例。注意在这个场景的边缘颜色分离。通过Rift的透镜,颜色是对齐的。
对色差的另一种较轻的校正方法可以通过软件中的数字移动颜色来实现,这是目前正在开发的消费者VR头盔主要使用的方法,这些头盔使用单个透镜。就像Oculus Rift一样。但它并不完美,只有当眼睛直接看向镜片中心时才有效,当用户在镜片其他位置看向时会出现色差畸变的瑕疵(当他们面对广阔的视野时通常会自然转头)。

另外,Oculus VR的创始人Palmer Luckey曾在一年多前提到另一种紧凑型镜片解决方案——菲涅耳镜,常被提议作为减少VR光学设备体积和重量的解决方案,他说:
……它们会降低对比度,添加各种烦人的瑕疵,并未真正减轻太多重量。而且它们对于外形设计也没有帮助;菲涅耳镜无法达到其他光学技术的焦距/放大倍数。

目前还没有关于该镜片技术何时可以投入生产,或者价格是多少的消息,但这种类型的升级可能会如未来VR头盔显示器的路径一样。随着对VR的需求增长,来自移动生态系统的手机屏幕可能会让位于更强大、定制化的显示器,这些显示器将提供更高的刷新率、分辨率和更广的视场。

随着对VR的需求增加,光学上的VR专用技术可能也会得到提升,给镜片制造商提供了一个加入虚拟现实行业的好理由。但前提是“平面镜片”必须安全地从研发实验室进入市场。

然而,摄影、天文学和显微镜技术等已经成熟的领域可能会充分利用这种新的、减小尺寸的光学技术,并帮助推动这项技术进入市场。因此,VR可能还需要继续在其他行业的零部件库中寻找一段时间——不过你知道,好的东西总是值得等待。

本文由Ben Lang补充报道。

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