近日，肯特州立大学和Meta Reality Labs的最新研究展示了大尺寸动态对焦液晶透镜，该透镜可用于制造变焦VR头戴式设备。

　　在VR研发领域，热门话题之一是为所谓的视觉辐辏调节冲突（VAC）寻找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（当它们汇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，视觉辐辏调节冲突容易造成用户产生眼睛疲劳，恶心，头晕等问题。针对这种情况，当前已产生大量用于解决变焦头戴式设备聚散度与调节问题的技术，比如全息显示器、多焦平面，但却无人能够提供实用、经济高效且可大规模生产的VAC解决方案。

　　VAC的另一个潜在解决方案是采用动态聚焦液晶透镜，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（焦距变化的速度）显著减慢。

　　为了达到理想动态聚焦镜头的大小，实现能够嵌入至现代头显的尺寸，并同时保持足够低的切换时间，肯特州立大学和Meta Reality Labs的研究人员设计了包含一系列“相位重置”的大尺寸动态对焦液晶透镜，他们将其与菲涅耳透镜中所使用的环形设计进行比较。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，以便在变焦头显中使用。

　　在SID Display Week 2022峰会展示的一项新研究中，研究人员描述了动态对焦液晶透镜的特性，并测量了其能力和确定优缺点。

　　在优势方面，研究人员展示了动态对焦液晶透镜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头显中，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，这或许属于可行速度范围之内。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，研究人员发现动态对焦液晶透镜由于相位重置段而在视图接近透镜边缘时图像质量下降，类似于菲涅耳透镜中的脊线所引起的光散射。会上还展示了减少这些伪影的技术。

　　最终，研究人员得出结论，实验性动态对焦液晶透镜“在大约30度注视角度内或可接受的（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。

　　研究人员表示，要真正利用这项技术构建变焦头显，动态对焦液晶透镜将与传统镜头结合使用，以实现VR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。

　　团队同时介绍了关于透镜性能的测量方法和基准，但全文尚未发表。特别是考虑到这项研究是在Meta Reality Labs的参与下完成的，让人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。

　　动态对焦液晶透镜论文的主要作者Amit Kumar Bhowmick表示：“Half Dome 3包含一堆可切换的半波片，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。然而，动态对焦液晶透镜能够通过改变透镜单元上的电压分布来调整焦距。动态对焦液晶透镜的性能可媲美Half Dome 3。”