I ricercatori hanno sviluppato una lente sottile con una lunghezza focale regolabile in modo continuo. Il nuovo obiettivo potrebbe un giorno rendere l'affaticamento visivo dei dispositivi di realtà aumentata e virtuale (AR/VR) un ricordo del passato.

"Molti dei display 3D utilizzati negli odierni dispositivi AR/VR causano disagio dopo l'uso a lungo termine a causa del conflitto tra vergenza e sistemazione", ha affermato Yan Li, leader del team di ricerca della Shanghai Jiao Tong University in Cina. "Il nostro obiettivo, noto come obiettivo Alvarez, può essere utilizzato per alleviare questo problema. Ciò potrebbe fornire un'esperienza 3D più confortevole e più realistica che consentirebbe un uso più diffuso delle cuffie AR/VR".

I ricercatori descrivono il loro nuovo obiettivo in Optics Express . È costituito da due elementi a cristalli liquidi piatti o planari che possono essere spostati l'uno rispetto all'altro per modificare continuamente la lunghezza focale dell'obiettivo. Per dimostrare il nuovo obiettivo Alvarez, lo hanno incorporato in un sistema di visualizzazione AR che mostrava immagini virtuali su una visione del mondo reale a diverse profondità.

"Questo obiettivo ha una gamma di regolazione continua e ampia, un fattore di forma sottile, è leggero e può essere realizzato utilizzando un semplice processo di fabbricazione a basso costo", ha affermato Li, che ha collaborato con il laboratorio di Shin-Tson Wu presso l'University of Central Florida College of Ottica e Fotonica. "Oltre ai dispositivi AR/VR, questo tipo di obiettivo sintonizzabile compatto potrebbe essere utile per l'imaging microscopico, la visione artificiale, l'elaborazione laser e l'oftalmologia."

Migliorare l'esperienza virtuale

Nei dispositivi AR/VR, il conflitto tra vergenza e sistemazione si verifica perché gli occhi sinistro e destro ricevono due immagini leggermente diverse che il cervello mette insieme per formare un'immagine 3D virtuale. Per vedere chiaramente l'immagine, ciascun occhio si concentra sul piano 2D fisso in cui viene visualizzata l'immagine. Ciò fa sì che l'immagine 3D unita e la messa a fuoco dell'occhio singolo sul piano 2D siano incoerenti, causando vertigini e affaticamento visivo.

È possibile ridurre il conflitto di vergenza-accomodazione con un display a focale variabile, che cambia dinamicamente la profondità degli oggetti virtuali a piano singolo in modo che gli oggetti virtuali sembrino esistere a profondità diverse in momenti diversi. Un'altra opzione è un sistema di visualizzazione multifocale, che esegue il rendering di più sezioni trasversali 2D di un oggetto virtuale a più profondità contemporaneamente per ricostruire un volume 3D. In entrambi i casi, il problema VAC viene soppresso perché l'occhio umano può concentrarsi sulla corretta profondità degli oggetti virtuali.

I sistemi di visualizzazione a focale variabile o multifocale necessitano di un obiettivo sintonizzabile in grado di cambiare la messa a fuoco continuamente all'interno di un ampio intervallo, pur essendo abbastanza compatto e leggero da essere utile nei dispositivi AR/VR montati sulla testa. Li ha lavorato su display AR e dispositivi a cristalli liquidi senza fatica per circa 10 anni e recentemente ha sviluppato un modo per fabbricare un componente ottico diffrattivo a base di cristalli liquidi noto come elemento ottico Pancharatnam-Berry (PB) che può essere utilizzato per creare un obiettivo regolabile che soddisfi questi requisiti.

"Il nostro metodo consente agli elementi ottici Pancharatnam-Berry con i profili di fase complicati e irregolari necessari per creare un obiettivo Alvarez con alta precisione, basso costo e praticità senza precedenti", ha affermato Li. "Volevamo vedere se questo obiettivo sintonizzabile Alvarez ultracompatto potesse offrire una soluzione al problema di lunga data del conflitto tra vergenza e accomodamento nei display VR e AR."

Dimostrazione del display AR

I ricercatori hanno utilizzato il loro nuovo approccio per creare una lente Alvarez sintonizzabile composta da due elementi planari di cristalli liquidi Pancharatnam-Berry. In ogni elemento, uno strato di cristalli liquidi polimerici ultrasottili, spesso solo poche centinaia di nanometri, è rivestito su un substrato di vetro spesso 1 mm. Hanno incorporato questo obiettivo Alvarez in un sistema di visualizzazione AR costruito utilizzando elementi ottici standard su un tavolo ottico. Spostando lateralmente i due elementi dell'obiettivo Alvarez, sono stati in grado di regolare continuamente la profondità dell'immagine virtuale da distanze vicine a lontane.

"Indipendentemente dalla profondità, l'immagine virtuale mostrava lo stesso effetto di messa a fuoco interna e sfocata degli oggetti 3D reali nel mondo reale", ha affermato Li. "Ciò significava che l'occhio umano poteva sempre concentrarsi correttamente sulla profondità dell'immagine 3D virtuale, superando così il problema del conflitto tra vergenza e sistemazione".

L'obiettivo di Alvarez dimostrato in questo lavoro è stato ottimizzato per il funzionamento a colore singolo a 532 nm, ma i ricercatori stanno lavorando su come utilizzarlo per una visualizzazione a colori. Vogliono anche adottare un metodo elettronico per controllare lo spostamento laterale tra gli elementi ottici, che è stato eseguito manualmente in questa ricerca. + Esplora ulteriormente

I ricercatori utilizzano lenti piatte per estendere la distanza di visualizzazione per la visualizzazione 3D