从透镜的角度谈VR短期内的发展趋势

VR的光学部分主要指的是左右两片凸透镜,成像原理上跟放大镜差不多,都是利用透镜成放大正立虚像这点。这种方式最早被Oculus使用,结构简单成本低,这才引爆了现在火热的VR市场。

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基本成像原理上,菲涅尔透镜和非球面镜并没有本质区别,相同参数的透镜,曲率都是一样的。区别在于,对于透镜而言光线折射发生在表面。所以为了减轻重量,将中间没有作用的材料去掉,就是菲涅尔透镜。

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从外观上,菲涅尔透镜就是一圈一圈的螺纹。

VR头盔使用菲涅尔透镜主要是出于重量和FOV上的考虑,VR头盔为了获得良好的用户体验,要求重量轻并且视场角(FOV)尽可能大。而对于目前常用的非球面来说,要想做到非常大的FOV透镜的尺寸必然加大,重量也会增加。并且因为透镜厚度不均匀,太大的FOV会导致边缘厚度非常小(考虑到瞳距的问题,透镜不可能无限做大),加工难度也会增大,所以目前市场上使用非球面镜的移动VR产品FOV最大也就是96°左右。

而像OculusHTV Vive这些追求极致体验的PC类的VR头盔,基本上都会使用菲涅尔透镜。一方面透镜可以做薄,减轻重量,另一方面在不过度增大透镜尺寸的情况下,可以做到更大的FOV

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既然菲涅尔透镜那么好,为什么大多数VR头盔还在用非球面镜?

因为菲涅尔透镜并不是那么完美,前面说的仅仅是它的优点。菲涅尔透镜的成像效果跟螺纹的齿数有直接的关系,理论上更精细的螺纹可以做到更好的清晰度。但是螺纹无限增多,一方面增加了加工的难度,另一方面会导致曲率不准难以聚焦。同时,越多的齿数,也就意味着更多的光学无法发生折射(下图),导致图像的锐度、对比度、亮度等下降,成像素质不高。当然也可以使用更少的螺纹,提高光线聚焦的能力,但是图像的清晰度会下降。

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那怎么解决这个问题?其实这个问题也是PC和移动VR在选择透镜类型上有区别的根本原因!为什么这么说呢?因为目前VR头盔为了追求大FOV,普遍使用的都是单透镜,也就是光学成像上的缺陷无法通过增加透镜的方式去解决,只能从软件的角度去解决,也就是调教屏幕。而目前大多数的移动VR产品都是需要插手机来用的,这就导致了移动VR的厂家无法对屏幕做调教!所以只能退而求其次使用成像素质更高但是FOV比较小的非球面镜。只有PC类的头盔和最近比较火的VR一体机有能力去解决这个问题,当然未来手机厂商进入的话,针对自己家机器做优化也是完全有可能的。

好了,解释完这个问题,那么该如何解决菲涅尔透镜成像素质不佳的问题?首先目前三大头显都是使用的细螺纹的菲涅尔透镜,剩下的问题就是怎么提高图像亮度、饱和度、锐度的问题。一方面,像OculusHTC使用的都是OLED屏幕,理论上色彩更艳丽,受光线损失的影响相对较小。另一面,从软件上对屏幕进行调教,HTC Vive在消费者版本中加入了Mura correction来矫正因为透镜造成的图像损失,让图像更明亮、更艳丽、更锐利。

总结一下,光学因为VR的原因重要性又提升了一步,但这是一个相对成熟的行业,进步的空间并不大。目前光学上面临的大多数问题都很难通过通过光学得到太大的提升,除了上边提到的问题,还包括因为FOV增大而产品的图像畸变。像这些问题,基本上只能通过后期的软件修正,包括屏幕的调教都是需要针对VR做专门的优化。所以目前的数量最多的壳子类产品,在光学上很难有进一步的提升,所以未来和PC头显、一体机以及手机厂商自己VR产品的差距会越来越大。当然,目前如此混乱的VR市场,未来的走向还很难预测,壳子类VR作为用户尝鲜目前还是有市场的,但是对于追求真实体验的VR,这条路显示不是未来的发展方向。

VR普及的角度,短时间内VR光学的形态依然会是单透镜的方式,但是随着光学制造技术的发展,未来更复杂的光学系统可能会投入消费市场。单就短期 内来说,PC头显将继续占据重度体验市场,而移动VR将是一体机和手机厂商的天下,单纯的VR壳子将逐渐淡出市场。