如何实现XR眼镜的快速变焦？如何使XR眼镜适配视力不同的用户？这两个问题是科技大厂和光学企业正在共同攻克的痛点。
XR眼镜需要一种“会自动调节焦距的镜片”。科技大厂将液态透镜视为其中一种可行的解。
早在vision pro还未公开的2019年，苹果就提交了名为“具有可调镜头的电子设备”的专利，苹果建议通过使用单镜头系统来解决镜头选择和切换的问题。其称之为“一种利用流体和压力来快速调整更具延展性的镜片”。今年，苹果另获得了二项关于 Vision Pro 头显液态透镜的技术专利。二者采用了两种不同的实现方式。
Meta专利中也指出了一个关键的光学元件：“可变焦液晶透镜”，在上面施加电压后，可以充当可变焦菲涅尔透镜用于VR眼镜。
下面就跟随小编的脚步来具体了解下液态透镜吧。
液态透镜技术概述
液态透镜最早是由法国科学家Bruno Berge于20世纪90年代中期开发出来的，其设计概念是通过操纵液体的形状来改变其折射光线的方式，就像不同形状的玻璃透镜表现出不同的光线折射特性一样。
source: Phillips/Phys.org
Berge于2002年成立了一家名为Varioptic的公司将此技术商业化。
传统的光学透镜由光学材料制造，无论使用哪种光学材料（光学玻璃、光学晶体或者光学塑料）制作的透镜都是固体，不能改变大小和曲率。使用这类透镜的光学系统，只能通过在光轴上前后移动某个透镜来改变整个光学系统的对焦点，但是对组件进行物理调整的过程中，会出现延迟。而在使用液态镜头的情况下，只需数毫秒时间即可完成变更。
source：Corning
从仿生学上来说，液态透镜的灵感于人体眼球。眼球的晶状体在睫状肌的控制下可以改变曲率，从而实现整个眼睛视觉系统工作距离的改变，即既能看清远处，又能看清近处。
液态透镜技术的优势包括：
液态透镜技术方案
目前商业化量产的液态镜头，主要有两种技术路线来实现。
一种是以Varioptic为代表的双液电润湿法透镜，另外一种是以Optotune为代表的液体填充式透镜。
双液体透镜由两种液体组成，由于两种液体存在折射率差，因此交界面就可以发生折射，如果我们可以用外部控制信号改变分界面的曲率，那么这个液态透镜就实现了光学参数的改变。
下面重点介绍一下电润湿原理。电润湿效应最早在1876年由加布里尔·李普曼（Gabriel Lippmann）发现，电润湿效应施加于两种非混合流体，一种导电的溶液和一种不导电的油，且两者具有不同的折射率，以及相同的密度。由于流体不混合，它们形成像透镜一样光滑且弯曲的分界面。我们通过向导电溶液施加电压而改变两种液体表面相互作用的方式，从而改变分界面的曲率半径。
分界面形状随着电压变化，sourcr：Corning
sourcr：Corning
液体填充式透镜结构类似于人眼的晶状体结构。具有高折射率的光学液体被密封在由柔性聚合物制成的弹性薄膜中，利用电磁驱动压紧或松弛分布于侧边的环形膜层区，由于密封液体积不变，压紧时液体从侧边挤压到中心通光孔中，液体的曲率半径变小，焦距变小；反之松弛侧边环形区域膜层时，通光孔中的光学液体扩散开，液体的曲率半径变大，焦距变大。
液态镜头应用
● 智能手机摄像头——液态镜头具有紧凑尺寸和高能效优点，是移动设备的理想选择。小米和三星都有推出过搭载液态镜头的手机产品。
● 机器视觉——适用于需要快速自动化检测的应用，比如代码读取、包装分拣和质量控制。
● 无人机和无人驾驶飞行器——液态镜头提供快速可变焦距，当机载装置在地面上方的不同高度或者在距物体不同的距离处行进时，液态镜头的焦距可以动态调整。液态镜头在农业检测和监测、地理信息/地图系统、监视等应用中尤其有用。
● 测量和尺寸绘制——“与距离传感器和相机搭配使用时，液态镜头可以快速对3D物体的不同平面成像。然后在软件中将这些图像拼接在一起，以创建准确的3D渲染图示。”
● ARVR——这些小型可变焦液态镜头尤其适用于AR/VR设备，因为AR/VR设备“需要紧凑、轻巧、快速、低功耗并且静音的镜头进行变焦和聚焦”。
我们将会在下一章节进行详细介绍。
液态透镜在VR HMD中的应用
ARVR HMD从被寄予“下一代移动终端”厚望的时刻起，满足人体工学的同时，具备高沉浸感、高舒适便是硬件厂商必要攻克的难关。
仅我国的近视人数已将近5亿。当前的解决方案中，这些用户要么佩戴眼镜，要么定制专用的眼镜夹片（通常需要额外付费），或者手动机械调节屈光度。这些方式多多少少显得麻烦且笨重，影响体验感。
在 XR 研发领域，热门话题之一是寻找一种实用的解决方案来解决所谓的聚散调节冲突 (VAC)。
迄今为止，市场上所有消费类 XR 头显均使用立体视觉来渲染图像，立体视觉可创建支持双眼的聚散反射（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 XR 中，它们的连接断开了。此时，眼睛继续在需要的地方会聚，但虚像的调节保持静态，因为光线都来自相同的距离（显示器）。这种现象会导致眼睛疲劳，让人难以专注于近距离图像，甚至可能限制视觉沉浸感。
而能够快速变焦，适应人眼焦距的液态透镜恰好能解决以上痛点。总的来说，其在XR HMD的应用如下：
自适应聚焦
在传统的VR HMD中，焦距通常是固定的，这意味着用户在查看不同距离的内容时可能会感到不适。而液态透镜技术可以实现自适应聚焦，即根据用户的视线方向和所看物体的距离，自动调整透镜的焦距，使用户始终保持清晰的视觉。这可以极大地提升用户体验，减轻眼部疲劳。
解决视觉辐辏调节冲突
视觉辐辏调节冲突是VR中常见的问题，即用户的眼睛在焦点和调节之间存在不匹配，导致视觉不适甚至晕眩。液态透镜技术可以通过模拟眼睛在现实世界中的自然焦点调整，减轻这种冲突，使用户的视觉感知更接近自然。
多焦点显示
液态透镜技术使得在同一VR HMD中实现多焦点显示成为可能。这意味着用户可以在虚拟环境中看到不同距离的物体都保持清晰，从而增强虚拟场景的真实感和立体感。例如，用户可以同时看到前景和背景都保持清晰，就像在现实世界中一样。
多焦点显示
个性化适应
不同用户的视力可能存在差异，因此他们在使用VR HMD时可能需要不同的焦距调整。当下，HMD厂商通过提供配件镜片/手动调焦等方式进行屈光度调节。而液态透镜技术可以根据用户的个性化需求，自动调整透镜的焦距，使每个用户都能获得最佳的视觉效果，提升用户满意度。
增强交互性
液态透镜技术可以与眼动追踪技术相结合，实现更自然的交互方式。用户可以通过凝视物体来对其进行操作，无需额外的手柄或控制器。这种交互方式使用户能够更直观地与虚拟环境进行互动。
减轻设备负担
相比于传统的机械镜头调节系统，液态透镜技术可以减轻设备的重量和体积，使VR HMD更加轻便舒适。
液态透镜在vr方面的研究进展
液态透镜特性看起来对解决VR硬件部分痛点有着得天独厚的的优势，学术界和科技大厂对此投入更针对性的研究：
● 2018年的SIGGRAPH 2上，斯坦福大学的研究人员演示了一套新系统，该系统能有效矫正视力，模仿人眼修正焦点，尤其针对老年人群体。
其使用液体透镜的方法，镜片形状可以在头显运行过程中，针对某些情况进行调整 。例如，当游戏的焦点不能正常聚焦在观看者目标对象上时，屏幕本身也可以变动以便更好地适合使用者的光学需求。简单的视力矫正是只是第一步但更复杂的情况像散光，则需要更复杂的解决方案。
● 2018年发表的论文《Tunable liquid lens equipped virtual reality adapter for scientific, medical, and therapeutic goals》提到将两个电动可调Optotune液态镜头作为vr系统的一部分，实现了20D屈光度范围的调整，用于单眼和/或双眼虚像的的感知优势的研究。
● 2019年，卡内基梅隆大学的研究人员用40个独特的平面构建成了一个多焦点显示器(Multifocal Display )，该系统包含一个1600Hz的屏幕与一个可调焦距的镜头。
新型多焦点显示器使用的镜头可根据电压调整焦距，称之为“液体”镜头。镜头以40Hz的全焦距循环，随着焦点改变，显示器的渲染图将更改为新焦距呈现的内容。而VR眼镜中的画面以40Hz的速率运行，所以需要40个不同的焦距。
● 2019年，Oculus提到Half Dome原型采用了新型液晶透镜来代替移动式机械零件。所述的新型液晶透镜是由交替堆叠的两个薄款平面光学元件制成：偏振相关透镜和可切换半波板。
我们来看一下原型模块。如GIF动图所示，由电子变焦透镜模块所记录。这是对摆在植物期房的恐龙玩具的真实拍摄镜头。恐龙离摄像头更近。在左侧，橙色突出说明了透镜处于“开启”状态；当它关闭时，焦点将转移到远方的对象（植物）。
Meta专利申请中有一个非常大的区别：可变液晶（LC）透镜130。在LC上施加电压将充当可变焦菲涅尔透镜，如下图所示。
在图 5 和图 6（右上）中，Meta 应用程序还讨论了多层 LC 透镜的使用。与单个较厚的镜头相比，较薄的多个镜头切换速度更快，并提供更多选择。LC 的典型切换速度大致与 LC 厚度的平方成正比，因此，如果层薄十倍（申请中讨论的可能性），切换速度将加快约 100 倍。
总结
液体镜头技术成本相对昂贵，且涉及复杂的工程和制造过程。在实现高质量光学的同时，确保液体镜头的稳定性和耐用性是一个挑战。
但苹果、Meta等大厂在液态透镜技术方面的布局，也昭示着在行业内，液态镜头技术正在被更普遍地接受去解决硬件的部分痛点。
我们期待液态镜头作为黑科技，当在未来被应用在头显产品上时，会给佩戴体验实现突破性进展。
