Les chercheurs ont mis au point une lentille mince avec une distance focale réglable en continu. Le nouvel objectif pourrait un jour faire de la fatigue visuelle des appareils de réalité augmentée et virtuelle (AR/VR) une chose du passé.
« De nombreux écrans 3D utilisés dans les appareils AR/VR d’aujourd’hui provoquent une gêne après une utilisation à long terme en raison du conflit vergence-accommodation », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Yan Li de l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine. « Notre objectif, connu sous le nom d’objectif Alvarez, peut être utilisé pour atténuer ce problème. Cela pourrait fournir une expérience 3D plus confortable et plus réaliste qui permettrait une utilisation plus répandue des casques AR/VR. »
Les chercheurs décrivent leur nouvel objectif en Optique Express. Il est composé de deux éléments à cristaux liquides plats ou plans qui peuvent être déplacés l’un par rapport à l’autre pour modifier en continu la distance focale de l’objectif. Pour faire la démonstration du nouvel objectif Alvarez, ils l’ont intégré dans un système d’affichage AR qui affichait des images virtuelles sur une vue du monde réel à différentes profondeurs.
« Cet objectif a une plage de réglage continue et large, un facteur de forme mince, est léger et peut être fabriqué à l’aide d’un processus de fabrication simple et peu coûteux », a déclaré Li, qui a collaboré avec le laboratoire de Shin-Tson Wu à l’Université de Central Florida College of Optique et Photonique. « En plus des dispositifs AR/VR, ce type d’objectif accordable compact pourrait être utile pour l’imagerie microscopique, la vision artificielle, le traitement laser et l’ophtalmologie. »
Améliorer l’expérience virtuelle
Dans les appareils AR/VR, le conflit vergence-accommodation se produit parce que les yeux gauche et droit reçoivent deux images légèrement différentes que le cerveau assemble pour former une image 3D virtuelle. Pour voir l’image clairement, chaque œil se concentre sur le plan 2D fixe où l’image est affichée. Cela entraîne une incohérence entre l’image 3D fusionnée et la mise au point d’un seul œil sur le plan 2D, ce qui entraîne des étourdissements et une fatigue visuelle.
Il est possible d’atténuer le conflit vergence-accommodation avec un affichage à focale variable, qui modifie dynamiquement la profondeur des objets virtuels à un seul plan afin que les objets virtuels semblent exister à différentes profondeurs à différents moments. Une autre option est un système d’affichage multifocal, qui rend simultanément plusieurs coupes transversales 2D d’un objet virtuel à plusieurs profondeurs pour reconstruire un volume 3D. Dans les deux cas, le problème VAC est supprimé car l’œil humain peut se concentrer sur les profondeurs correctes des objets virtuels.
Les systèmes d’affichage à focale variable ou multifocale nécessitent un objectif réglable qui peut changer la mise au point en continu dans une large plage tout en étant suffisamment compact et léger pour être utile dans les appareils AR/VR montés sur la tête. Li travaille sur des écrans AR sans fatigue et des dispositifs à cristaux liquides depuis environ 10 ans et a récemment développé un moyen de fabriquer un composant optique diffractif à base de cristaux liquides connu sous le nom d’élément optique Pancharatnam-Berry (PB) qui peut être utilisé pour créer un lentille accordable qui répond à ces exigences.
« Notre méthode permet d’obtenir des éléments optiques Pancharatnam-Berry avec les profils de phase compliqués et irréguliers nécessaires pour créer une lentille Alvarez avec une précision élevée, un faible coût et une commodité sans précédent », a déclaré Li. « Nous voulions voir si cet objectif accordable ultracompact Alvarez pouvait offrir une solution au problème de longue date du conflit vergence-accommodation dans les écrans VR et AR. »
Démonstration d’affichage AR
Les chercheurs ont utilisé leur nouvelle approche pour créer une lentille Alvarez accordable composée de deux éléments à cristaux liquides Pancharatnam-Berry plans. Dans chaque élément, une couche de cristal liquide polymétrique ultrafine de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur est déposée sur un substrat de verre de 1 mm d’épaisseur. Ils ont incorporé cet objectif Alvarez dans un système d’affichage AR construit à l’aide d’éléments optiques prêts à l’emploi sur une table optique. En déplaçant latéralement les deux éléments de l’objectif Alvarez, ils ont pu ajuster en continu la profondeur de l’image virtuelle des distances proches aux distances éloignées.
« Peu importe la profondeur, l’image virtuelle présentait le même effet de mise au point et de flou que les objets 3D réels dans le monde réel », a déclaré Li. « Cela signifiait que l’œil humain pouvait toujours se concentrer correctement sur la profondeur de l’image 3D virtuelle, surmontant ainsi le problème du conflit vergence-accommodation. »
La lentille Alvarez présentée dans ce travail a été optimisée pour un fonctionnement monochrome à 532 nm, mais les chercheurs travaillent sur des moyens de l’utiliser pour un affichage en couleur. Ils souhaitent également adopter une méthode électronique de contrôle du déplacement latéral entre les éléments optiques, qui a été réalisée manuellement dans cette recherche.
Shuyi Chen et al, Lentille accordable Planar Alvarez basée sur des éléments optiques à cristaux liquides polymétriques Pancharatnam-Berry, Optique Express (2022). DOI : 10.1364/OE.468647