文/VR陀螺 林德

现在，头戴显示器被广泛地应用在教育、医疗、培训、娱乐等领域。为了获得更加逼真、舒适的视觉体验，头戴示器仍然存在许多要解决的光学问题。

我们想要看清楚周围的物体，不仅需要有正常的眼球结构，还需要眼球有正常的调节和集合功能。只有当设备系统能模拟出人类眼--脑视觉系统复杂的图像形成机制时，头显才能提供完全自然、舒适的视觉体验。

在目前的VR头显中，物理显示器被放置在固定的放大透镜后面，这个放大透镜的作用是产生一个虚拟图像让人眼试图适应。然而，在显示器上的立体图像会根据相对物体的深度会聚到不同的距离。为了感知这种虚拟图像的立体深度，人眼会改变聚散度角，但由于放大透镜是固定在后方的，人眼的调节距离会保持不变。这种冲突被称作调节性集合（Accommodation Convergence：AC）不匹配，这会导致眼睛疲劳和产生不自然的视觉体验。

简单来说，调节（Accommodation）是用来评价晶状体屈光度的变化，集合（Convergence）指的是眼球向内转动，视轴位置的变化。这两者的变化是联动的。这种不匹配可以想象成，如果你是一个远视眼，想要看近时的感受。

图源：网络

为了解决这个问题，Facebook虚拟实验室（FRL）的研究人员联手先进材料与液晶研究所、肯特州立大学的研究人员发表了一份新的报告《LiquidCrystal Based 5 cm Adaptive Focus Lens to Solve AccommodationConvergence (AC)Mismatch Issue of AR/VR/3D Displays》（基于液晶的50mm孔径大小的连续聚焦透镜，解决AR/VR/3D显示器的调节性集合(AC)不匹配问题）。

早在2005年，曾有研究者提出当聚焦力和需要匹配的调节距离不匹配时，集合点的距离会在0.5D（D：屈光度）之内，这被称作“舒适区”概念。目前，已有几种方法可以解决这个问题，分别是光场显示、体积显示以及数字全息显示。不过这三种方法都存在一些明显的弊端。

光场显示中，多角度的虚拟图像可以被投射到瞳孔的不同部分，从而创造出眼睛看到的真实世界的光场。据悉，如果每个显示器的每个像素可以发出16倍的光线，眼睛就可以正确聚焦，但这么做会使图像分辨率大大降低。

而体积显示可以根据不同深度的物体调整显示距离，DNA会使显示器的带宽增加2--6倍。数字全息显示通过发散光放大投影来增加视场，但为了获得高质量的图像，视场的增加需要更小的动眼眶（eyebox），这样就需要额外的光学元件，例如光束转向装置等。

因此，有学者认为从前景和优缺点对比出发，变焦液晶透镜结合眼球追踪系统在解决这方面的问题具备很高的潜力。

 制造：基于液晶的50mm的连续聚焦透镜 

团队的研究人员曾提出并演示过一个为解决AC（调节性集合）不匹配的问题的20mm可调的眼动追踪液晶透镜。不过为了在VR设备中提供最佳FOV，需要更大尺寸的可调透镜。

因此，团队研究人员提出了一个基于液晶的50mm的连续聚焦透镜。

在报告中，研究人员表示根据薄透镜公式，理想透镜的OPD（光程差：两束光到达某点的光程之差值）与透镜半径的平方成正比。

这意味着，液晶透镜的单元厚度也与透镜半径的平方成正比。另一方面，液晶单元的切换时间取决于液晶材料的粘度和单元厚度，因此对于已给定的液晶材料，切换时间与单元厚度的平方成正比。

通过上面的结论，为了使切换速度保持在50mm液晶透镜的合理时间（<500ms）以内，团队人员首先使用了2个液晶单元组成的透镜。

并且，为了进一步实现更低的切换速度，该团队研究人员还在设计中实现了菲涅尔重置，菲涅尔重置的引入会导致衍射和图像退化。

与理想透镜相比，该设计的透镜OPD将提供一个逐步增加的光路长度。研究人员采用的是编号为MLC18349的液晶材料，直径为50mm，双折射值为0.27，由两个摩擦方向相反的液晶单元组成，且每个单元能够连续改变光功率从-0.2D到+0.2D（光摆动为0.4D）。

研究人员为了制作一个半径25mm的测试透镜，他们先是在市售的ITO（导电光学薄膜）上制造了一个厚度为0.4mm的图案驱动的电极，之后将二氧化硅绝缘层放在了驱动ITO上。

在接下来经过蚀刻、添加浮动电极、图案处理等步骤之后，研究团队按照标准的液晶显示屏制造工艺进行了组装和电池填充。

透镜内层结构的侧视图

最终构建的透镜外观

在制作完毕之后，研究团队对其图像质量进行了一个测试，并拍摄了不同注视角度的照片，以了解不同的区域边界密度对图像性能的影响。

“如果我们考虑到眼睛的中心距离晶状体有2cm，那么情况如图所示。(a)、(b)、（c)、（d)、(e)、(f)分别对应0°、0°、14°、27°、37°、45°的注视角度。

相机镜头中心分别放置在离镜头中心0mm处(a)和(b)；(c)、(d)、(e)和(f)离镜头中心5mm、10mm、15mm和20mm。

在图中，(a)镜头关闭，以及(b)、(c)、(d)、(e)、(f)镜头打开，功率+为0.20D。红色的箭头显示了图片上的衍射图像。”

前文提到，研究团队引入了菲涅尔重置会引起衍射和图像退化。当衍射性能最差的情况时，入射光束会分成两束。但当两束分裂光束之间的角度在人眼角度之内分辨率为1弧分时，则用户无法分辨衍射图像。

此前，该团队基于20mm液晶透镜的演示中，证明了20mm的区域内在一个0.5D透镜的中心周围，来自非相区边界的衍射将小于1弧分钟。相反，在这个半径之外，衍射角将超过1电弧分钟。

从拍摄的照片来看，研究团队得出：当相机镜头的中心更靠近可调液晶镜头的边缘时，能看到衍射图像。

总结

根据文献资料，目前还没有超过20mm的非机械可调液晶透镜商业化的报道。因此50mm的液晶连续聚焦透镜具有相当大的市场潜力。

“我们展示了一个50mm孔径大小的聚焦可调液晶透镜，与眼球跟踪系统配对，该所提出的设备有一个潜在的解决方案来解决已知的调节性集合不匹配问题。由于其孔径大，尺寸紧凑，切换速度快，可用于眼科或成像应用。”

*以上图片均来源于：FacebookReality Lab

*参考链接