Dünne Linse mit variablem Fokus, die für Augmented- und Virtual-Reality-Headsets entwickelt wurde

Forscher haben eine dünne Linse mit stufenlos einstellbarer Brennweite entwickelt. Das neue Objektiv könnte eines Tages die visuelle Ermüdung durch Augmented- und Virtual-Reality-Geräte (AR/VR) der Vergangenheit angehören.

„Viele der 3D-Displays, die in heutigen AR/VR-Geräten verwendet werden, verursachen aufgrund des Vergenz-Akkommodations-Konflikts nach längerem Gebrauch Unbehagen“, sagte Yan Li, Leiter des Forschungsteams von der Shanghai Jiao Tong University in China. „Unser Objektiv, das als Alvarez-Objektiv bekannt ist, kann verwendet werden, um dieses Problem zu lindern. Dies könnte ein komfortableres und realistischeres 3D-Erlebnis bieten, das eine breitere Verwendung von AR/VR-Headsets ermöglichen würde.“

Die Forscher beschreiben ihr neues Objektiv in Optik Express. Es besteht aus zwei flachen oder planaren Flüssigkristallelementen, die relativ zueinander bewegt werden können, um die Brennweite der Linse kontinuierlich zu ändern. Um das neue Alvarez-Objektiv zu demonstrieren, bauten sie es in ein AR-Anzeigesystem ein, das virtuelle Bilder auf einer realen Weltansicht in verschiedenen Tiefen anzeigte.

„Diese Linse hat einen kontinuierlichen und großen Abstimmbereich, einen dünnen Formfaktor, ist leicht und kann mit einem einfachen, kostengünstigen Herstellungsprozess hergestellt werden“, sagte Li, der mit dem Labor von Shin-Tson Wu am University of Central Florida College von zusammenarbeitete Optik und Photonik. „Zusätzlich zu AR/VR-Geräten könnte diese Art von kompakten abstimmbaren Linsen für mikroskopische Bildgebung, maschinelles Sehen, Laserbearbeitung und Augenheilkunde nützlich sein.“

Verbesserung der virtuellen Erfahrung

Bei AR/VR-Geräten entsteht der Vergenz-Akkommodations-Konflikt, weil das linke und das rechte Auge zwei leicht unterschiedliche Bilder empfangen, die das Gehirn zu einem virtuellen 3D-Bild zusammensetzt. Um das Bild klar zu sehen, fokussiert jedes Auge auf die feste 2D-Ebene, auf der das Bild angezeigt wird. Dies führt dazu, dass das zusammengeführte 3D-Bild und der einzelne Augenfokus in der 2D-Ebene inkonsistent sind, was zu Schwindel und visueller Ermüdung führt.

Es ist möglich, den Vergenz-Akkommodations-Konflikt mit einer Anzeige mit variabler Brennweite zu verringern, die die Tiefe von virtuellen Objekten auf einer Ebene dynamisch ändert, so dass virtuelle Objekte zu unterschiedlichen Zeitpunkten in unterschiedlichen Tiefen zu existieren scheinen. Eine weitere Option ist ein multifokales Anzeigesystem, das mehrere 2D-Querschnitte eines virtuellen Objekts in mehreren Tiefen gleichzeitig rendert, um ein 3D-Volumen zu rekonstruieren. In beiden Fällen wird das VAC-Problem unterdrückt, da das menschliche Auge auf die richtigen Tiefen der virtuellen Objekte fokussieren kann.

Displaysysteme mit variabler oder multifokaler Brennweite benötigen ein abstimmbares Objektiv, das den Fokus innerhalb eines großen Bereichs kontinuierlich ändern kann und gleichzeitig kompakt und leicht genug ist, um in kopfmontierten AR/VR-Geräten nützlich zu sein. Li arbeitet seit etwa 10 Jahren an ermüdungsfreien AR-Displays und Flüssigkristallgeräten und hat kürzlich eine Methode zur Herstellung einer diffraktiven optischen Komponente auf Flüssigkristallbasis entwickelt, die als optisches Element Pancharatnam-Berry (PB) bekannt ist und zur Herstellung von a abstimmbares Objektiv, das diese Anforderungen erfüllt.

„Unsere Methode ermöglicht optische Pancharatnam-Berry-Elemente mit den komplizierten und unregelmäßigen Phasenprofilen, die erforderlich sind, um eine Alvarez-Linse mit hoher Präzision, geringen Kosten und beispiellosem Komfort herzustellen“, sagte Li. „Wir wollten sehen, ob dieses ultrakompakte abstimmbare Alvarez-Objektiv eine Lösung für das seit langem bestehende Problem des Vergenz-Akkommodations-Konflikts in VR- und AR-Displays bieten könnte.“

AR-Display-Demonstration

Die Forscher nutzten ihren neuen Ansatz, um eine abstimmbare Alvarez-Linse zu schaffen, die aus zwei planaren Pancharatnam-Berry-Flüssigkristallelementen besteht. In jedem Element wird eine nur wenige hundert Nanometer dicke ultradünne polymetrische Flüssigkristallschicht auf ein 1 mm dickes Glassubstrat aufgetragen. Sie bauten diese Alvarez-Linse in ein AR-Anzeigesystem ein, das aus handelsüblichen optischen Elementen auf einem optischen Tisch gebaut wurde. Durch seitliches Verschieben der beiden Elemente des Alvarez-Objektivs konnten sie die Tiefe des virtuellen Bildes von nahen bis zu weiten Entfernungen kontinuierlich einstellen.

„Unabhängig von der Tiefe zeigte das virtuelle Bild denselben In- und Out-of-Focus-Effekt wie die echten 3D-Objekte in der realen Welt“, sagte Li. „Das bedeutete, dass das menschliche Auge immer richtig auf die Tiefe des virtuellen 3D-Bildes fokussieren konnte, wodurch das Problem des Vergenz-Akkommodations-Konflikts überwunden wurde.“

Die in dieser Arbeit demonstrierte Alvarez-Linse wurde für den einfarbigen Betrieb bei 532 nm optimiert, aber die Forscher arbeiten an Möglichkeiten, sie für eine Vollfarbanzeige zu verwenden. Sie wollen auch ein elektronisches Verfahren zur Steuerung der seitlichen Verschiebung zwischen den optischen Elementen übernehmen, das in dieser Forschung manuell durchgeführt wurde.