Tynd linse med variabelt fokus designet til augmented og virtual reality-headset

Forskere har udviklet en tynd linse med en kontinuerligt indstillelig brændvidde. Den nye linse kan en dag gøre visuel træthed fra augmented og virtual reality (AR/VR) enheder til fortiden.

"Mange af de 3D-skærme, der bruges i nutidens AR/VR-enheder, forårsager ubehag efter langvarig brug på grund af konflikten mellem grænserne og boligen," sagde lederen af ​​forskningsteamet Yan Li fra Shanghai Jiao Tong University i Kina. "Vores objektiv, som er kendt som et Alvarez-objektiv, kan bruges til at afhjælpe dette problem. Dette kunne give en mere behagelig og mere realistisk 3D-oplevelse, der ville muliggøre mere udbredt brug af AR/VR-headset."

Forskerne beskriver deres nye linse i Optics Express . Den er lavet af to flade, eller plane, flydende krystalelementer, der kan flyttes i forhold til hinanden for løbende at ændre objektivets brændvidde. For at demonstrere det nye Alvarez-objektiv inkorporerede de det i et AR-displaysystem, der viste virtuelle billeder i en virkelig verden i forskellige dybder.

"Denne linse har et kontinuerligt og stort tuning-område, en tynd formfaktor, er let og kan fremstilles ved hjælp af en simpel, billig fremstillingsproces," sagde Li, som samarbejdede med Shin-Tson Wus laboratorium ved University of Central Florida College of Optik og fotonik. "Ud over AR/VR-enheder kan denne type kompakte, justerbare linse være nyttig til mikroskopisk billeddannelse, maskinsyn, laserbehandling og oftalmologi."

Forbedring af den virtuelle oplevelse

I AR/VR-enheder opstår konflikten mellem logi og logi, fordi venstre og højre øje modtager to lidt forskellige billeder, som hjernen sætter sammen til et virtuelt 3D-billede. For at se billedet klart fokuserer hvert øje på det faste 2D-plan, hvor billedet vises. Dette bevirker, at det flettede 3D-billede og det enkelte øjes fokus i 2D-planet er inkonsekvente, hvilket fører til svimmelhed og visuel træthed.

Det er muligt at mindske konflikten mellem vergens-indkvartering med en vari-fokal visning, som dynamisk ændrer dybden af ​​enkeltplans virtuelle objekter, så virtuelle objekter ser ud til at eksistere i forskellige dybder i forskellige øjeblikke. En anden mulighed er et multifokalt displaysystem, som gengiver flere 2D-tværsnit af et virtuelt objekt i flere dybder samtidigt for at rekonstruere et 3D-volumen. I begge tilfælde er VAC-problemet undertrykt, fordi det menneskelige øje kan fokusere på den korrekte dybde af de virtuelle objekter.

Vari- eller multi-focal display-systemer har brug for et justerbart objektiv, der kan ændre fokus kontinuerligt inden for et stort område, samtidig med at det er kompakt og let nok til at være nyttigt i hovedmonterede AR/VR-enheder. Li har arbejdet på træthedsfri AR-skærme og flydende krystal-enheder i omkring 10 år og har for nylig udviklet en måde at fremstille en flydende krystalbaseret diffraktiv optisk komponent kendt som et Pancharatnam-Berry (PB) optisk element, der kan bruges til at skabe en indstilleligt objektiv, der opfylder disse krav.

"Vores metode muliggør Pancharatnam-Berry optiske elementer med de komplicerede og uregelmæssige faseprofiler, der er nødvendige for at skabe en Alvarez linse med høj præcision, lave omkostninger og hidtil uset bekvemmelighed," sagde Li. "Vi ønskede at se, om denne ultrakompakte Alvarez-justerbare linse kunne tilbyde en løsning på det langvarige problem med konflikter mellem grænseovergange og indkvartering i VR- og AR-skærme."

AR display demonstration

Forskerne brugte deres nye tilgang til at skabe en tunbar Alvarez-linse lavet af to plane Pancharatnam-Berry flydende krystalelementer. I hvert element er et ultratyndt polymetrisk flydende krystallag kun et par hundrede nanometer tykt belagt på et 1 mm tykt glassubstrat. De inkorporerede dette Alvarez-objektiv i et AR-displaysystem bygget ved hjælp af optiske elementer fra hylden på et optisk bord. Ved at forskyde de to elementer i Alvarez-objektivet sideværts var de i stand til kontinuerligt at justere dybden af ​​det virtuelle billede fra nær til fjern afstand.

"Uanset dybden udviste det virtuelle billede den samme ind-og-ud af fokus-effekt som de rigtige 3D-objekter i den virkelige verden," sagde Li. "Dette betød, at det menneskelige øje altid kunne fokusere på dybden af ​​det virtuelle 3D-billede korrekt, og dermed overvinde konfliktproblemet med grænseovergange."

Alvarez-objektivet, der blev demonstreret i dette arbejde, var optimeret til enkeltfarvedrift ved 532 nm, men forskerne arbejder på måder at bruge det til en fuldfarveskærm. De ønsker også at anvende en elektronisk metode til at kontrollere den laterale forskydning mellem de optiske elementer, som blev udført manuelt i denne forskning. + Udforsk yderligere

Forskere bruger flade linser til at forlænge synsafstanden til 3D-visning