文/VR陀螺 林德

現(xiàn)在，頭戴顯示器被廣泛地應(yīng)用在教育、醫(yī)療、培訓(xùn)、娛樂等領(lǐng)域。為了獲得更加逼真、舒適的視覺體驗，頭戴示器仍然存在許多要解決的光學(xué)問題。

我們想要看清楚周圍的物體，不僅需要有正常的眼球結(jié)構(gòu)，還需要眼球有正常的調(diào)節(jié)和集合功能。只有當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)能模擬出人類眼--腦視覺系統(tǒng)復(fù)雜的圖像形成機(jī)制時，頭顯才能提供完全自然、舒適的視覺體驗。

在目前的VR頭顯中，物理顯示器被放置在固定的放大透鏡后面，這個放大透鏡的作用是產(chǎn)生一個虛擬圖像讓人眼試圖適應(yīng)。然而，在顯示器上的立體圖像會根據(jù)相對物體的深度會聚到不同的距離。為了感知這種虛擬圖像的立體深度，人眼會改變聚散度角，但由于放大透鏡是固定在后方的，人眼的調(diào)節(jié)距離會保持不變。這種沖突被稱作調(diào)節(jié)性集合（Accommodation Convergence：AC）不匹配，這會導(dǎo)致眼睛疲勞和產(chǎn)生不自然的視覺體驗。

簡單來說，調(diào)節(jié)（Accommodation）是用來評價晶狀體屈光度的變化，集合（Convergence）指的是眼球向內(nèi)轉(zhuǎn)動，視軸位置的變化。這兩者的變化是聯(lián)動的。這種不匹配可以想象成，如果你是一個遠(yuǎn)視眼，想要看近時的感受。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

為了解決這個問題，F(xiàn)acebook虛擬實驗室（FRL）的研究人員聯(lián)手先進(jìn)材料與液晶研究所、肯特州立大學(xué)的研究人員發(fā)表了一份新的報告《LiquidCrystal Based 5 cm Adaptive Focus Lens to Solve AccommodationConvergence (AC)Mismatch Issue of AR/VR/3D Displays》（基于液晶的50mm孔徑大小的連續(xù)聚焦透鏡，解決AR/VR/3D顯示器的調(diào)節(jié)性集合(AC)不匹配問題）。

早在2005年，曾有研究者提出當(dāng)聚焦力和需要匹配的調(diào)節(jié)距離不匹配時，集合點的距離會在0.5D（D：屈光度）之內(nèi)，這被稱作“舒適區(qū)”概念。目前，已有幾種方法可以解決這個問題，分別是光場顯示、體積顯示以及數(shù)字全息顯示。不過這三種方法都存在一些明顯的弊端。

光場顯示中，多角度的虛擬圖像可以被投射到瞳孔的不同部分，從而創(chuàng)造出眼睛看到的真實世界的光場。據(jù)悉，如果每個顯示器的每個像素可以發(fā)出16倍的光線，眼睛就可以正確聚焦，但這么做會使圖像分辨率大大降低。

而體積顯示可以根據(jù)不同深度的物體調(diào)整顯示距離，DNA會使顯示器的帶寬增加2--6倍。數(shù)字全息顯示通過發(fā)散光放大投影來增加視場，但為了獲得高質(zhì)量的圖像，視場的增加需要更小的動眼眶（eyebox），這樣就需要額外的光學(xué)元件，例如光束轉(zhuǎn)向裝置等。

因此，有學(xué)者認(rèn)為從前景和優(yōu)缺點對比出發(fā)，變焦液晶透鏡結(jié)合眼球追蹤系統(tǒng)在解決這方面的問題具備很高的潛力。

 制造：基于液晶的50mm的連續(xù)聚焦透鏡 

團(tuán)隊的研究人員曾提出并演示過一個為解決AC（調(diào)節(jié)性集合）不匹配的問題的20mm可調(diào)的眼動追蹤液晶透鏡。不過為了在VR設(shè)備中提供最佳FOV，需要更大尺寸的可調(diào)透鏡。

因此，團(tuán)隊研究人員提出了一個基于液晶的50mm的連續(xù)聚焦透鏡。

在報告中，研究人員表示根據(jù)薄透鏡公式，理想透鏡的OPD（光程差：兩束光到達(dá)某點的光程之差值）與透鏡半徑的平方成正比。

這意味著，液晶透鏡的單元厚度也與透鏡半徑的平方成正比。另一方面，液晶單元的切換時間取決于液晶材料的粘度和單元厚度，因此對于已給定的液晶材料，切換時間與單元厚度的平方成正比。

通過上面的結(jié)論，為了使切換速度保持在50mm液晶透鏡的合理時間（<500ms）以內(nèi)，團(tuán)隊人員首先使用了2個液晶單元組成的透鏡。

并且，為了進(jìn)一步實現(xiàn)更低的切換速度，該團(tuán)隊研究人員還在設(shè)計中實現(xiàn)了菲涅爾重置，菲涅爾重置的引入會導(dǎo)致衍射和圖像退化。

與理想透鏡相比，該設(shè)計的透鏡OPD將提供一個逐步增加的光路長度。研究人員采用的是編號為MLC18349的液晶材料，直徑為50mm，雙折射值為0.27，由兩個摩擦方向相反的液晶單元組成，且每個單元能夠連續(xù)改變光功率從-0.2D到+0.2D（光擺動為0.4D）。

研究人員為了制作一個半徑25mm的測試透鏡，他們先是在市售的ITO（導(dǎo)電光學(xué)薄膜）上制造了一個厚度為0.4mm的圖案驅(qū)動的電極，之后將二氧化硅絕緣層放在了驅(qū)動ITO上。

在接下來經(jīng)過蝕刻、添加浮動電極、圖案處理等步驟之后，研究團(tuán)隊按照標(biāo)準(zhǔn)的液晶顯示屏制造工藝進(jìn)行了組裝和電池填充。

透鏡內(nèi)層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖

最終構(gòu)建的透鏡外觀

在制作完畢之后，研究團(tuán)隊對其圖像質(zhì)量進(jìn)行了一個測試，并拍攝了不同注視角度的照片，以了解不同的區(qū)域邊界密度對圖像性能的影響。

“如果我們考慮到眼睛的中心距離晶狀體有2cm，那么情況如圖所示。(a)、(b)、（c)、（d)、(e)、(f)分別對應(yīng)0°、0°、14°、27°、37°、45°的注視角度。

相機(jī)鏡頭中心分別放置在離鏡頭中心0mm處(a)和(b)；(c)、(d)、(e)和(f)離鏡頭中心5mm、10mm、15mm和20mm。

在圖中，(a)鏡頭關(guān)閉，以及(b)、(c)、(d)、(e)、(f)鏡頭打開，功率+為0.20D。紅色的箭頭顯示了圖片上的衍射圖像。”

前文提到，研究團(tuán)隊引入了菲涅爾重置會引起衍射和圖像退化。當(dāng)衍射性能最差的情況時，入射光束會分成兩束。但當(dāng)兩束分裂光束之間的角度在人眼角度之內(nèi)分辨率為1弧分時，則用戶無法分辨衍射圖像。

此前，該團(tuán)隊基于20mm液晶透鏡的演示中，證明了20mm的區(qū)域內(nèi)在一個0.5D透鏡的中心周圍，來自非相區(qū)邊界的衍射將小于1弧分鐘。相反，在這個半徑之外，衍射角將超過1電弧分鐘。

從拍攝的照片來看，研究團(tuán)隊得出：當(dāng)相機(jī)鏡頭的中心更靠近可調(diào)液晶鏡頭的邊緣時，能看到衍射圖像。

總結(jié)

根據(jù)文獻(xiàn)資料，目前還沒有超過20mm的非機(jī)械可調(diào)液晶透鏡商業(yè)化的報道。因此50mm的液晶連續(xù)聚焦透鏡具有相當(dāng)大的市場潛力。

“我們展示了一個50mm孔徑大小的聚焦可調(diào)液晶透鏡，與眼球跟蹤系統(tǒng)配對，該所提出的設(shè)備有一個潛在的解決方案來解決已知的調(diào)節(jié)性集合不匹配問題。由于其孔徑大，尺寸緊湊，切換速度快，可用于眼科或成像應(yīng)用。”

*以上圖片均來源于：FacebookReality Lab

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