Forskare har utvecklat en tunn lins med en kontinuerligt inställbar brännvidd. Den nya linsen kan en dag göra visuell trötthet från enheter med förstärkt och virtuell verklighet (AR/VR) till ett minne blott.

"Många av de 3D-skärmar som används i dagens AR/VR-enheter orsakar obehag efter långvarig användning på grund av konflikten mellan gränserna och boende", säger forskargruppsledaren Yan Li från Shanghai Jiao Tong University i Kina. "Vårt objektiv, som är känt som ett Alvarez-objektiv, kan användas för att lindra detta problem. Detta skulle kunna ge en bekvämare och mer realistisk 3D-upplevelse som skulle möjliggöra en mer utbredd användning av AR/VR-headset."

Forskarna beskriver sin nya lins i Optics Express . Den är gjord av två platta, eller plana, flytande kristallelement som kan flyttas i förhållande till varandra för att kontinuerligt ändra objektivets brännvidd. För att demonstrera det nya Alvarez-objektivet införlivade de det i ett AR-displaysystem som visade virtuella bilder i en verklig vy på olika djup.

"Denna lins har ett kontinuerligt och stort avstämningsområde, en tunn formfaktor, är lätt och kan tillverkas med en enkel tillverkningsprocess till låg kostnad", säger Li, som samarbetade med Shin-Tson Wus labb vid University of Central Florida College of Optik och fotonik. "Förutom AR/VR-enheter kan den här typen av kompakt avstämbar lins vara användbar för mikroskopisk bildbehandling, maskinseende, laserbehandling och oftalmologi."

Förbättra den virtuella upplevelsen

I AR/VR-enheter uppstår konflikten mellan logi och boende eftersom vänster och höger öga får två lite olika bilder som hjärnan sätter ihop för att bilda en virtuell 3D-bild. För att se bilden tydligt fokuserar varje öga på det fasta 2D-plan där bilden visas. Detta gör att den sammanslagna 3D-bilden och det ena ögats fokus i 2D-planet blir inkonsekventa, vilket leder till yrsel och visuell trötthet.

Det är möjligt att minska konflikten mellan vergens-boende med en vari-fokal display, som dynamiskt ändrar djupet på enplans virtuella objekt så att virtuella objekt verkar existera på olika djup i olika ögonblick. Ett annat alternativ är ett multifokalt displaysystem, som återger flera 2D-tvärsnitt av ett virtuellt objekt på flera djup samtidigt för att rekonstruera en 3D-volym. I båda fallen undertrycks VAC-problemet eftersom det mänskliga ögat kan fokusera på de virtuella objektens korrekta djup.

Vari- eller multifokala displaysystem behöver ett inställbart objektiv som kan ändra fokus kontinuerligt inom ett stort område samtidigt som det är tillräckligt kompakt och lätt för att vara användbart i huvudmonterade AR/VR-enheter. Li har arbetat med utmattningsfria AR-skärmar och flytande kristallenheter i cirka 10 år och utvecklade nyligen ett sätt att tillverka en flytande kristallbaserad diffraktiv optisk komponent känd som ett Pancharatnam-Berry (PB) optiskt element som kan användas för att skapa en inställbart objektiv som uppfyller dessa krav.

"Vår metod möjliggör Pancharatnam-Berry optiska element med de komplicerade och oregelbundna fasprofiler som behövs för att skapa en Alvarez-lins med hög precision, låg kostnad och oöverträffad bekvämlighet," sa Li. "Vi ville se om denna ultrakompakta Alvarez avstämbara lins kunde erbjuda en lösning på det långvariga problemet med konfliktproblem med gränsöverskridande boende i VR- och AR-skärmar."

AR-displaydemonstration

Forskarna använde sin nya metod för att skapa en avstämbar Alvarez-lins gjord av två plana Pancharatnam-Berry flytande kristallelement. I varje element är ett ultratunt polymetriskt flytande kristallskikt bara några hundra nanometer tjockt belagt på ett 1 mm tjockt glassubstrat. De inkorporerade detta Alvarez-objektiv i ett AR-displaysystem byggt med hjälp av optiska element från hyllan på ett optiskt bord. Genom att flytta de två elementen i Alvarez-linsen i sidled kunde de kontinuerligt justera djupet på den virtuella bilden från nära till långt avstånd.

"Oavsett djup uppvisade den virtuella bilden samma in-och-ut-ur fokus-effekt som de verkliga 3D-objekten i den verkliga världen," sa Li. "Detta innebar att det mänskliga ögat alltid kunde fokusera på djupet av den virtuella 3D-bilden korrekt och på så sätt övervinna konfliktproblemet med gränsöverskridande boende."

Alvarez-linsen som demonstrerades i detta arbete var optimerad för enfärgsdrift vid 532 nm, men forskarna arbetar på sätt att använda den för en fullfärgsskärm. De vill också anta en elektronisk metod för att kontrollera sidoförskjutningen mellan de optiska elementen, som utfördes manuellt i denna forskning. + Utforska vidare

Forskare använder platta linser för att utöka betraktningsavståndet för 3D-visning