肯特州立大学和 Meta Reality 实验室的新研究展示了大型动态聚焦液晶镜片，可用于制造变焦 VR 头戴式设备。

VAC：VR头显进化路上的拦路虎

在 VR 研发领域，热门话题之一是尽可能为缩减视觉辐辏 (VAC) 找到切实可行的解决方案。迄今为止，市场上的所有消费类 VR 头戴式设备都使用立体视觉来渲染图像，立体视觉可以创建支持一对眼睛的辐辏反射（当它们会聚在物体上形成立体图像时）的 3D 图像，但不支持单眼的调节反射（当眼睛的晶状体改变形状以将光线聚焦在不同的深度时）。
在现实世界中，这两种反射总是协同工作，但在 VR 中，它们会断开连接，因为眼睛会继续在需要的地方会聚，但它们的调节保持静止，因为光线都来自相同的距离（显示器）。该领域的研究人员表示，VAC 会导致眼睛疲劳，难以专注于近距离图像，甚至可能会限制视觉沉浸感。

Meta重金投入：动态聚焦液晶透镜

或是唯一可落地方案

已经有大量可用于正确支持聚散和调节的变焦头戴式设备的技术实验，例如全息显示器和多焦平面。但似乎没有人破解 VAC 的实用、经济高效且可大规模生产解决方案的密码。
VAC 的另一个潜在解决方案是动态聚焦液晶 (LC) 透镜，它可以在调整电压时改变焦距。根据由 Meta Reality Labs 资助和参与的肯特州立大学研究生项目，此类镜头之前已进行过演示，但大多数尺寸非常小，因为随着尺寸的增加，切换时间（可以改变焦点的速度）显着减慢。
为了达到你想要的动态聚焦镜头的大小，如果你要将它构建到现代 VR 耳机中——同时保持足够低的切换时间——研究人员设计了一个带有一系列“相位重置”的大型动态聚焦 LC 镜头，他们将其与菲涅耳透镜中使用的环进行比较。相位重置段不是为了减小其宽度而对透镜进行分段（如菲涅耳），而是彼此分开供电，因此每个段内的液晶仍然可以足够快地切换，以便在变焦头戴式耳机中使用。
现阶段LC透镜可以实现
30°以内的VAC全调节
在 SID 显示周 2022 会议上提出的新研究中，研究人员对 5 厘米动态聚焦 LC 镜头进行了表征，以测量其能力并确定优缺点。
在“优势”方面，研究人员展示了动态对焦镜头在镜头中心实现了高图像质量，同时支持从 -0.80 D 到 +0.80 D 的动态对焦范围和低于 500 毫秒的切换速度。
作为参考，在 90Hz 耳机中，每 11ms（每秒 90 次）向用户显示一个新帧，而 500ms 的切换时间相当于 2Hz（每秒两次）。虽然这比头显的帧速率慢得多，但考虑到眼睛可以调整到新焦距的速率，它可能在实际速度之内。此外，研究人员表示，可以通过堆叠多个镜头来增加切换时间。
在“劣势”方面，研究人员发现动态聚焦 LC 透镜由于相位重置段在视图接近透镜边缘时图像质量下降——在概念上类似于在菲涅耳透镜中由脊线引起的光散射。所提出的工作还探索了一种旨在减少这些伪影的掩蔽技术。
图 A-F 是通过动态聚焦 LC 镜头捕获的图像，从中心逐渐离轴，从 0° 开始到 45° | SID 显示周
最终，研究人员得出结论，实验性动态聚焦 LC 镜头在大约 30° 的注视角度内提供了“可能可接受的 [图像质量] 值 [...]”，这与许多带有菲涅耳光学元件的 VR 头显的图像质量下降非常相似今天。
研究人员表示，要真正利用这项技术构建变焦头戴式头显，动态聚焦 LC 镜头将与传统镜头结合使用，以实现 VR 头戴式头显所需的光学管道。精确的眼球追踪也是必要的，这样系统才能知道用户在看哪里，从而知道如何针对该深度正确调整镜头的焦点。
本文中的工作介绍了显示镜头性能的测量方法和基准，未来的研究人员可以使用这些方法和基准来测试他们自己的工作或确定可以对演示设计进行的改进。
全文尚未发表，但由其主要作者 Amit Kumar Bhowmick 在2022 年 SID 显示周上发表，并进一步归功于肯特州立大学和 Meta 之间的 Afsoon Jamali、Douglas Bryant、Sandro Pintz 和 Philip J Bos现实实验室。

与Meta Half Dome 3的效果对比

特别是考虑到这项研究是在 Meta Reality Labs 的参与下完成的，我很好奇它与该公司之前在其Half Dome 3 原型中展示的变焦系统有何不同。
动态聚焦 LC 镜头论文的主要作者 Amit Kumar Bhowmick 解释说。
“Half Dome 3 包含一堆液晶层。单独切换这些图层会创建不同焦距的图像。因此，切换层的独特组合会产生不同的焦点平面，”他说。“然而，我们报道的 LC 透镜能够通过改变透镜单元上的电压分布来调整焦距。但是，我们没有将任何光学质量与 Half dome 3 进行比较。”
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