Dioptrie-aanpassing: hoe brillen en headsets zelf leren scherpstellen
Iedereen die weleens een verrekijker of een oude fotocamera heeft gebruikt, kent het draaiwieltje waarmee je het beeld scherp krijgt. Dat wieltje verandert de sterkte van een lens, uitgedrukt in een eenheid die dioptrie heet. Dioptrie-aanpassing is precies dat principe, maar dan toegepast op brillen, contactlenzen en de lenzen in VR- en AR-headsets: de optische sterkte wordt niet vooraf vastgezet door een opticien, maar kan achteraf, soms zelfs automatisch, worden bijgesteld.
Denk aan een leesbril die met je meegroeit: in plaats van dat je bij het ouder worden telkens een nieuwe bril met een hoger dioptriegetal moet kopen, past de lens zichzelf aan aan de afstand waarop je kijkt. Of denk aan een virtual-realitybril die weet dat jij bijziend bent en het beeld automatisch scherpstelt, zodat je je bril niet onder de headset hoeft te proppen. Dat is de belofte van dioptrie-aanpassing: minder losse hulpmiddelen, meer lenzen die zich aanpassen aan het oog in plaats van andersom.
Wat is het precies?
Een dioptrie is de maateenheid voor de sterkte van een lens: hoe hoger het getal, hoe sterker de lens het licht buigt. Een gewone bril heeft een vaste sterkte, bepaald door de kromming en het materiaal van het glas. Dioptrie-aanpassing draait om technieken waarmee die sterkte na de productie nog kan veranderen, zonder dat je de lens hoeft te vervangen.
Er zijn grofweg drie manieren om dat voor elkaar te krijgen. De eerste is mechanisch: twee lenselementen schuiven ten opzichte van elkaar, zoals bij de zogeheten Alvarez-lens. Door de elementen zijwaarts te verschuiven verandert de effectieve kromming van de gecombineerde lens, ongeveer zoals je met twee golfplaten die je verschuift een ander reliëf krijgt.
De tweede manier is vloeistof- of gellenzen. Hierbij zit er een doorzichtige vloeistof tussen twee flexibele membranen. Door met een pompje of drukmechanisme meer of minder vloeistof toe te voegen, verandert de kromming van het membraan en dus de sterkte van de lens. Adlens, een Brits bedrijf, gebruikt dit principe al jaren in brillen die gebruikers zelf met een draaiknop kunnen bijstellen.
De derde en meest geavanceerde route is elektronisch, met vloeibare kristallen (liquid crystal), hetzelfde soort materiaal dat in lcd-schermen zit. Door een elektrische spanning aan te leggen, verandert de brekingsindex van het kristal en daarmee de optische sterkte van de lens, zonder dat er iets beweegt. Dit maakt automatische, sensorgestuurde aanpassing mogelijk: sensoren meten bijvoorbeeld op welke afstand je kijkt, en de lens past zich binnen een fractie van een seconde aan.
In VR- en AR-headsets komt daar nog een laag bij, omdat het scherm vlak voor je ogen hangt in plaats van ver weg. Fabrikanten bouwen daarom vaak een simpele, mechanische dioptriewielen in de headset zelf, zodat bril-loze gebruikers met een lichte sterkte-afwijking toch scherp beeld krijgen. Geavanceerdere onderzoeksprototypes gaan verder en gebruiken bewegende lenzen die het scherpstelpunt volgen op basis van oogtracking, zogeheten varifocale systemen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is toegankelijkheid. Wereldwijd hebben naar schatting meer dan een miljard mensen een oncorrigeerde gezichtsafwijking, vooral in gebieden waar opticiens en op maat gemaakte brillen schaars of duur zijn. Een bril die zichzelf, of met één simpele instelling door een leek, kan aanpassen aan iemands oogsterkte, omzeilt de noodzaak van een uitgebreid oogonderzoek en een voorraad kant-en-klare sterktes.
Een tweede doel is comfort voor mensen met presbyopie, oftewel ouderdomsverziendheid: bijna iedereen krijgt vanaf de veertig meer moeite met scherpstellen op dichtbij. Multifocale en adaptieve lenzen proberen het schakelen tussen lezen, beeldscherm en verte te vereenvoudigen, zonder de vertrouwde overgangen en vervorming van klassieke multifocale glazen.
In de context van VR en AR is het doel vooral gebruiksgemak en visueel comfort. Veel gebruikers dragen een bril en willen die niet onder een strak zittende headset proppen. Daarnaast speelt een dieper probleem: bij vaste-focusschermen kijkt het oog altijd naar hetzelfde vlakke scherptevlak, ook als het virtuele object dichtbij of ver weg lijkt. Dat veroorzaakt de zogeheten vergentie-accommodatieconflict, een bekende oorzaak van vermoeide ogen en misselijkheid bij langdurig VR-gebruik. Varifocale, dioptrie-aanpasbare lenzen zijn een van de manieren waarop onderzoekers dat conflict proberen te verminderen.
Voorbeelden uit de praktijk
Adlens Adjustables (Verenigd Koninkrijk, opgericht begin jaren 2000) maakt brillen met vloeistofgevulde lenzen die de drager zelf met een draaiknopje bijstelt. Ze zijn onder meer ingezet in humanitaire oogzorgprogramma's, waaronder een landelijk project in Rwanda waarbij honderdduizenden mensen een eenvoudige oogtest en een Adlens-bril kregen zonder tussenkomst van een opticien.
PixelOptics emPower! was een elektronische leesbril die in 2010 op de markt kwam en gebruikmaakte van vloeibare kristallen om automatisch te schakelen tussen ver- en dichtbijzicht, aangestuurd door een ingebouwde sensor die de kijkhoek van de drager mat. Het bedrijf ging in 2013 failliet, ondanks de technologische belofte, vooral door de hoge kostprijs en productieproblemen. Het geldt in de sector als een leerzaam voorbeeld van hoe lastig het is om labtechniek betaalbaar te maken.
Deep Optics, een Israëlisch bedrijf, ontwikkelt sinds de jaren 2010 lenzen op basis van vloeibare kristallen die volledig automatisch scherpstellen, met als doel presbyopie te corrigeren zonder leesbril. Het bedrijf heeft prototypes getoond op techbeurzen en werkt samen met partners in de brillenindustrie, maar een breed verkrijgbaar consumentenproduct is er nog niet.
Meta Reality Labs (voorheen Oculus Research) toonde in 2018 en 2019 de Half Dome-prototypes, VR-headsets met bewegende lenzen die het scherpstelpunt volgen op basis van oogtracking om het vergentie-accommodatieconflict te verminderen. Deze prototypes zijn nooit commercieel uitgebracht, maar de inzichten voeden het onderzoek naar toekomstige headsets.
Op kleinere schaal is dioptrie-aanpassing inmiddels doodgewoon: veel VR-headsets, waaronder de PlayStation VR2 en de Valve Index, hebben een eenvoudig, mechanisch dioptriewieltje per oog, zodat lichte bril-sterktes zonder bril gedragen kunnen worden.
Hoe ver is de techniek?
Mechanische en vloeistofgebaseerde dioptrie-aanpassing, zoals bij Adlens en bij de dioptriewielen in VR-headsets, is bewezen technologie die al jaren in gebruik is. Dat is het meest volwassen deel van het veld.
Volautomatische, elektronische lenzen op basis van vloeibare kristallen zitten in een vroeger stadium. De optica werkt in laboratoria en prototypes, maar de stap naar een dunne, lichte, betaalbare bril die de hele dag op batterij meegaat, blijkt hardnekkig lastig. Uitdagingen zijn onder meer de beeldkwaliteit aan de randen van de lens, de energievraag van de sensoren en elektronica, en de kostprijs ten opzichte van een gewone bril van een paar tientjes.
Varifocale VR-techniek, zoals Half Dome, is nog experimenteel. Er is geen consumentenheadset op de markt die volledig automatische, oogtracking-gestuurde scherpstelling combineert met een compact, betaalbaar ontwerp. De meeste headsets kiezen voorlopig voor de simpelere, mechanische oplossing van een handmatig dioptriewieltje, wat goedkoper en betrouwbaarder is, maar minder comfortabel dan een systeem dat automatisch meebeweegt met je blik.
Kortom: het basisprincipe is aangetoond en deels al in de winkel te koop, maar de meest ambitieuze, volledig automatische versies zijn nog altijd meer onderzoeksproject dan massaproduct.
Wie werken eraan?
Het veld is een mix van gespecialiseerde opstartende bedrijven en grote techconcerns. Adlens (VK) en Deep Optics (Israël) richten zich specifiek op adaptieve brillenlenzen voor consumenten en voor oogzorg in ontwikkelingslanden. Universitaire onderzoeksgroepen op het gebied van optica en oogheelkunde, onder meer aan Amerikaanse en Europese technische universiteiten, publiceren regelmatig over nieuwe lensontwerpen, waaronder verdere varianten op de Alvarez-lens.
Op het gebied van VR en AR investeren grote spelers als Meta (via Reality Labs), en in mindere mate Sony en andere headsetmakers, in onderzoek naar varifocale en oogtracking-gestuurde systemen, al is veel van dat werk nog gericht op toekomstige generaties producten in plaats van op wat nu in de winkel ligt. Ook opticiengiganten als EssilorLuxottica volgen en financieren onderzoek naar adaptieve lenzen, gezien de directe relevantie voor hun brillenaanbod.