肯特州立大学和Meta Reality Labs的新研究展示了可以用于创建变焦虚拟现实头显的大规模动态对焦液晶透镜。

浓度-适应冲突简介
在虚拟现实研发领域中，一个热门话题是寻找所谓的浓度-适应冲突（VAC）的实际解决方案。迄今市场上所有的消费者虚拟现实头显都使用视差成像来呈现图像，这种成像方式可以支持双眼的浓度反射（当双眼汇聚在物体上形成立体图像），但无法支持单眼的适应反射（眼睛晶状体通过改变形状来对不同深度的光进行聚焦）。
在现实世界中，这两个反射始终同时工作，但在虚拟现实中它们不再同步，因为眼睛继续在需要的地方汇聚，但它们的适应性保持静止，因为光都来自相同的距离（显示器）。该领域的研究人员表示，VAC可能会导致眼睛疲劳，使聚焦近距离的图像变得困难，并且甚至可能限制视觉沉浸感。
寻找解决方案
已经有很多实验尝试使用可以正确支持双眼汇聚和适应的技术来制造变焦头显，例如全息显示和多焦点平面。但似乎没有人能够找到实际可行、成本效益高且可批量生产的解决VAC的解决方案。
解决VAC的另一个潜在方案是动态对焦液晶（LC）透镜，该透镜可以通过调整电压来改变其焦距。根据肯特州立大学的一项毕业生项目（Meta Reality Labs提供资金和参与），此类透镜之前已有过实验证明，但由于切换时间（焦点变化的速度）随着大小增加而显著减慢，因此多数情况下只在非常小的尺寸上实现。
为了获得如果将其嵌入当代虚拟现实头显中所需的动态对焦透镜尺寸，同时保持足够低的切换时间，研究人员设计了一种具有一系列“相位复位”的大型动态对焦LC透镜，类似于菲涅耳透镜中使用的环。与菲涅耳透镜中通过分段透镜以减小其宽度不同，相位复位段与其他段分别供电，使得每个段内的液晶仍然可以快速切换以实现在变焦头显中实用。
一种大型的实验性透镜
在2022年SID Display Week会议上展示的新研究中，研究人员对一款5厘米动态对焦LC透镜进行了特性测试，以评估其能力并确定其优缺点。
在“优点”方面，研究人员展示了动态对焦透镜在透镜中心附近实现了高画质，支持-0.80 D至+0.80 D的动态对焦范围，并具有低于500毫秒的切换速度。
以90Hz的头显为例，用户每11毫秒（每秒90次）会显示一帧新的画面，而500毫秒的切换时间相当于每秒2次（每两秒一次）。虽然这远慢于头显的帧率，但考虑到眼睛调整至新的焦距所需的速度，这可能在实际使用中是可行的。此外，研究人员表示可以通过叠加多个透镜来提高切换时间。
在“缺点”方面，研究人员发现动态对焦LC透镜在接近透镜边缘的视野中由于相位复位段而导致图像质量下降，类似于菲涅耳透镜中由于脊线而产生的光散射。该研究还探讨了一种旨在减少这些伪像的遮罩技术。
图A-F是通过动态对焦LC透镜捕获的图像，从中心开始逐渐偏离轴线，从0°到45° | 图片由Bhowmick et al., SID Display Week提供。
最终，研究人员得出结论，实验性的动态对焦LC透镜提供了“可能可接受的”「在大约30° 视线角度内的图像质量」，这与现今许多带有弗朗内尔光学的VR头显的图像质量衰减相当类似。
要实际构建一款使用这项技术的Varifocal头显，研究人员表示将使用动态聚焦液晶（LC）透镜结合传统透镜，以实现VR头显所需的光学流程。精准的眼动跟踪也是必要的，以便系统知道用户正在看向哪里，从而正确调整透镜的焦点深度。
本文介绍了测量方法和基准，展示了该镜头的性能，未来的研究人员可以使用这些进行测试，或者发现可以改进所展示设计的地方。
完整的论文尚未发表，但该论文的首席作者Amit Kumar Bhowmick在SID Display Week 2022上做了报告，还额外感谢了Afsoon Jamali、Douglas Bryant、Sandro Pintz和Philip J Bos，他们分别来自肯特州立大学和Meta Reality Labs。
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Half Dome 3有何不同？
考虑到这项研究是与Meta Reality Labs合作完成的，我很好奇它与该公司之前在Half Dome 3原型机中展示的变焦系统有何不同。
动态聚焦LC透镜论文的首席作者Amit Kumar Bhowmick进行了解释。
「Half Dome 3包含液晶层堆叠。逐层切换这些层可以产生不同焦距的图像。因此，切换层的不同组合会产生不同的焦点平面，」他说。「而我们报道的LC透镜能够通过改变透镜单元上的电压分布来调整焦距。不过，我们尚未与Half Dome 3进行光学质量比较。」
更新（2022年5月24日）：根据论文作者的补充信息，更新了引用。