Onderzoekers hebben een dunne lens ontwikkeld met een continu instelbare brandpuntsafstand. De nieuwe lens zou op een dag visuele vermoeidheid van augmented en virtual reality (AR/VR)-apparaten tot het verleden kunnen maken.

"Veel van de 3D-schermen die in de huidige AR/VR-apparaten worden gebruikt, veroorzaken ongemak na langdurig gebruik als gevolg van het conflict tussen vergence en accommodatie", zegt onderzoeksteamleider Yan Li van de Shanghai Jiao Tong University in China. "Onze lens, die bekend staat als een Alvarez-lens, kan worden gebruikt om dit probleem te verminderen. Dit zou een comfortabelere en realistischere 3D-ervaring kunnen bieden die een breder gebruik van AR/VR-headsets mogelijk zou maken."

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe lens in Optics Express . Het is gemaakt van twee platte of vlakke vloeibaar-kristalelementen die ten opzichte van elkaar kunnen worden verplaatst om de brandpuntsafstand van de lens continu te veranderen. Om de nieuwe Alvarez-lens te demonstreren, hebben ze deze opgenomen in een AR-weergavesysteem dat virtuele beelden op verschillende diepten weergeeft in een echte wereld.

"Deze lens heeft een continu en groot afstembereik, een dunne vormfactor, is lichtgewicht en kan worden gemaakt met behulp van een eenvoudig, goedkoop fabricageproces", zegt Li, die samenwerkte met het laboratorium van Shin-Tson Wu aan het University of Central Florida College of Optica en fotonica. "Naast AR/VR-apparaten kan dit type compacte afstembare lens nuttig zijn voor microscopische beeldvorming, machinevisie, laserverwerking en oogheelkunde."

De virtuele ervaring verbeteren

In AR/VR-apparaten treedt het convergentie-accommodatieconflict op omdat het linker- en rechteroog twee enigszins verschillende beelden ontvangen die de hersenen samenvoegen om een ​​virtueel 3D-beeld te vormen. Om het beeld duidelijk te zien, stelt elk oog zich scherp op het vaste 2D-vlak waar het beeld wordt weergegeven. Dit zorgt ervoor dat het samengevoegde 3D-beeld en de focus op één oog op het 2D-vlak inconsistent zijn, wat leidt tot duizeligheid en visuele vermoeidheid.

Het is mogelijk om het convergentie-accommodatieconflict te verminderen met een varifocale weergave, die de diepte van virtuele objecten met één vlak dynamisch verandert, zodat virtuele objecten op verschillende momenten op verschillende diepten lijken te bestaan. Een andere optie is een multifocaal weergavesysteem, dat meerdere 2D-doorsneden van een virtueel object op meerdere diepten tegelijk weergeeft om een ​​3D-volume te reconstrueren. In beide gevallen wordt het VAC-probleem onderdrukt omdat het menselijk oog kan focussen op de juiste diepten van de virtuele objecten.

Vari- of multifocale weergavesystemen hebben een afstembare lens nodig die binnen een groot bereik continu van focus kan veranderen en die tegelijkertijd compact en licht genoeg is om bruikbaar te zijn in op het hoofd gemonteerde AR/VR-apparaten. Li werkt al ongeveer 10 jaar aan vermoeidheidsvrije AR-displays en vloeibaar-kristalapparaten en heeft onlangs een manier ontwikkeld om een ​​op vloeibare kristallen gebaseerde diffractieve optische component te fabriceren, bekend als een Pancharatnam-Berry (PB) optisch element dat kan worden gebruikt om een afstembare lens die aan deze eisen voldoet.

"Onze methode maakt Pancharatnam-Berry optische elementen mogelijk met de gecompliceerde en onregelmatige faseprofielen die nodig zijn om een ​​Alvarez-lens te maken met hoge precisie, lage kosten en ongekend gemak", aldus Li. "We wilden zien of deze ultracompacte afstembare lens van Alvarez een oplossing zou kunnen bieden voor het al lang bestaande probleem van het convergentie-accommodatieconflict in VR- en AR-schermen."

AR-displaydemonstratie

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe aanpak om een ​​afstembare Alvarez-lens te maken, gemaakt van twee vlakke Pancharatnam-Berry vloeibaar-kristalelementen. In elk element wordt een ultradunne polymetrische vloeibaar-kristallaag van slechts een paar honderd nanometer dik aangebracht op een glazen substraat van 1 mm dik. Ze hebben deze Alvarez-lens opgenomen in een AR-displaysysteem dat is gebouwd met gebruiksklare optische elementen op een optische tafel. Door de twee elementen van de Alvarez-lens zijdelings te verschuiven, konden ze de diepte van het virtuele beeld continu afstemmen van dichtbij tot veraf.

"Ongeacht de diepte, het virtuele beeld vertoonde hetzelfde in-en-uit focus-effect als de echte 3D-objecten in de echte wereld", zei Li. "Dit betekende dat het menselijk oog altijd correct kon focussen op de diepte van het virtuele 3D-beeld, waardoor het probleem van het vergentie-accommodatieconflict werd overwonnen."

De Alvarez-lens die in dit werk werd gedemonstreerd, was geoptimaliseerd voor gebruik in één kleur bij 532 nm, maar de onderzoekers werken aan manieren om deze te gebruiken voor een kleurenscherm. Ze willen ook een elektronische methode toepassen om de laterale verplaatsing tussen de optische elementen te controleren, die in dit onderzoek handmatig werd uitgevoerd. + Verder verkennen

Onderzoekers gebruiken platte lenzen om de kijkafstand voor 3D-weergave te vergroten