為什么光學(xué)透鏡是VR頭顯核心？

　　2018年01月03日，對(duì)于今天任何一款VR頭顯，當(dāng)看向圓形遮光護(hù)目鏡套的里面時(shí)，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)兩件事情：一塊顯示虛擬世界的屏幕;位于屏幕前方的一組透鏡。大部分人主要關(guān)注頭顯的顯示器部分，分辨率是多少?刷新率?對(duì)比度呢?然而，位于屏幕前方的透鏡同樣重要。

　　為什么說(shuō)透鏡是VR頭顯的一個(gè)重要組成部分呢，它們又將如何影響VR體驗(yàn)的質(zhì)量呢?

　　1. 透鏡基礎(chǔ)

　　透鏡的歷史已有數(shù)千年之久，其背后的基本原理十分簡(jiǎn)單。當(dāng)你透過(guò)一塊普通的玻璃來(lái)看世界時(shí)，你會(huì)注意到視圖出現(xiàn)了扭曲。玻璃(水或半透明材料)能夠折射通過(guò)它們的光線。根據(jù)給定材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且以你想要的方式來(lái)折射光線，這時(shí)你就得到了一塊透鏡。

　　斯內(nèi)爾定律描述了所有這一切的物理學(xué)。下面映維網(wǎng)將與大家一起看看關(guān)于斯內(nèi)爾定律的相關(guān)公式值。

　　第一個(gè)相關(guān)值名為“折射率”，它可以告訴你給定材料可以折射多少光線。產(chǎn)生這種效應(yīng)的原因是，光線進(jìn)入給定材料時(shí)速度會(huì)減慢，而光線越慢，折射數(shù)量就越多。常見(jiàn)的例子包括空氣，水，塑料和玻璃。

　　另一個(gè)值是材料的角度與光線入射的角度，也就是說(shuō)光線的折射取決于：1)來(lái)向和透鏡的形狀;2)進(jìn)入透鏡到離開(kāi)透鏡所需的時(shí)間，或者說(shuō)透鏡的厚度;3)光的波長(zhǎng)(顏色)。

　　后一個(gè)因素是透鏡中存在的偽影或像差。棱鏡是屬于透鏡的一種，而透鏡可以像棱鏡一樣，在折射光線時(shí)可以將顏色彼此分開(kāi)。這就是所謂的色差。

　　我們需要關(guān)注其他的偏差。球面像差會(huì)導(dǎo)致圖像的不同部分聚焦在不同的點(diǎn)上，這意味著如果你希望圖像的中心變得清晰銳利，邊緣就會(huì)變得越來(lái)越模糊。

　　后是桶形失真和枕形失真。這種情況常見(jiàn)于當(dāng)透鏡試圖糾正上述兩種失真的時(shí)候，以及試圖產(chǎn)生寬視場(chǎng)的時(shí)候。這將導(dǎo)致終圖像出現(xiàn)網(wǎng)格被拉伸或擠壓的情況。

　　2. 透鏡與VR

　　說(shuō)到透鏡，以及它們將如何影響VR頭顯，我們首先要關(guān)注的是顯示器尺寸。VR頭顯的尺寸越大，所遮擋視圖就越多，視場(chǎng)范圍也越廣。但如果顯示器太大，整體設(shè)備則可能過(guò)于笨重。從這個(gè)角度來(lái)看，顯示器越小越好。

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)解決方案是令屏幕接近你的眼睛。這有兩個(gè)好處：首先，你不需要更大的顯示器來(lái)獲得更寬的視場(chǎng);其次，根據(jù)阿基米德的杠桿原理，顯示器越接近你的面部，它所施加的力就越小。遺憾的是，聚焦在過(guò)于靠近的對(duì)象時(shí)就會(huì)令人眼產(chǎn)生不適，這限制了你設(shè)置顯示器的距離。

　　這提出了一個(gè)問(wèn)題。我們正常的視場(chǎng)可達(dá)180度。作為參考，當(dāng)前的頭顯屏幕的對(duì)角線長(zhǎng)度可能約為7英寸(18厘米)，并且盡可能舒適地靠近眼睛，這個(gè)屏幕將占用相對(duì)較少的視場(chǎng)。結(jié)果是用戶需要通過(guò)一個(gè)非常狹窄的視角來(lái)感知你的虛擬世界，就像是在現(xiàn)實(shí)世界中使用眼罩那樣。

　　解決這個(gè)問(wèn)題的部分辦法是，在面部和顯示器之間設(shè)置一個(gè)透鏡或一系列的透鏡。我們的目標(biāo)是折射光線，使用本質(zhì)上是放大鏡的透鏡來(lái)為你提供更寬的視場(chǎng)。你甚至可以將顯示器移至通常令眼睛不舒適的位置，合適的透鏡將會(huì)令視圖變得更加舒適。

　　但當(dāng)你試圖通過(guò)透鏡來(lái)擴(kuò)大視場(chǎng)時(shí)，你將會(huì)面臨前文所述的像差問(wèn)題。相機(jī)鏡頭通過(guò)一堆復(fù)雜的透鏡來(lái)解決這一問(wèn)題，試圖消除所有的像差，并為你提供一張清晰的，沒(méi)有失真的照片。遺憾的是，這一系列的透鏡將增加整體設(shè)備的重量和長(zhǎng)度，以及相當(dāng)一部分的成本。

　　目前的答案是見(jiàn)于HTC Vive，Oculus Rift和其他頭顯中的菲涅耳透鏡。菲涅爾透鏡相對(duì)較薄，并且刻有一系列刻的同心環(huán)，其能夠根據(jù)光線的不同入射部分來(lái)相應(yīng)地折射光線。如果設(shè)計(jì)正確，這可以幫助克服僅使用單個(gè)透鏡所遭遇的像差。因此，你不需要再像相機(jī)那樣使用一大堆透鏡。

　　然而，這無(wú)法解決所有的問(wèn)題。盡管菲涅爾透鏡提供了寬視場(chǎng)，并且消除了單一透鏡中的大部分色差，但它們沒(méi)有克服桶形失真或枕形失真的問(wèn)題。

　　當(dāng)代頭顯選擇從軟件端入手：以透鏡失真的相反方向預(yù)先扭曲圖像，這樣在觀看影像時(shí)，用戶就能獲得(近乎)正確的圖像。例如，如果透鏡將產(chǎn)生要枕形失真，你必須使用桶形失真對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)變形，反之亦然。

　　就這樣，你可以獲得寬視場(chǎng)的正確圖像，而且能夠有效減少顯示器的大小。

　　3. 短期與長(zhǎng)期

　　目前的透鏡和頭顯解決方案十分巧妙，但仍不足夠。未來(lái)的解決方案是什么呢?根據(jù)你給出的時(shí)間表，我們可以發(fā)現(xiàn)一系列不同的答案。但對(duì)于短期內(nèi)的解決方案，其將再次與“遺憾的是”這個(gè)詞產(chǎn)生聯(lián)系。

　　正如我們所說(shuō)，菲涅爾透鏡不能解決所有問(wèn)題。這不僅是因?yàn)轭A(yù)扭曲圖像將導(dǎo)致系統(tǒng)為視圖中心提供更多分辨率，減少邊緣分辨率，從而進(jìn)一步降低本已經(jīng)夠低的VR分辨率;同時(shí)是因?yàn)榉颇鶢柾哥R本身無(wú)法產(chǎn)生完美聚焦的圖像。這就是為什么相機(jī)會(huì)選擇昂貴的透鏡堆棧，而不是菲涅耳透鏡。

　　行業(yè)正在嘗試不同的透鏡設(shè)計(jì)，希望可以**終解決這個(gè)問(wèn)題。Valve和其他廠商已經(jīng)提出了優(yōu)化的VR菲涅耳透鏡設(shè)計(jì)，其能夠?qū)崿F(xiàn)更好的對(duì)焦，更有效的分辨率，以及更優(yōu)的放大倍率，使得頭顯設(shè)計(jì)師可以令顯示器更靠近用戶眼睛，并且可以生產(chǎn)更小，更薄和更輕的透鏡。

　　更為長(zhǎng)期的計(jì)劃?我們希望在不太遙遠(yuǎn)的未來(lái)，我們可以通過(guò)“超材料”來(lái)完全取代傳統(tǒng)的透鏡。超材料是指在自然界找不到的工程性質(zhì)材料，其**受歡迎的用例之一是以超級(jí)可控的方式來(lái)折射光線。

　　從理論上講，超材料透鏡可以產(chǎn)生幾乎沒(méi)有任何偏差的圖像，并且能夠在極其輕薄的形態(tài)下實(shí)現(xiàn)。然而，其背后的工程設(shè)計(jì)相當(dāng)棘手，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)是在納米尺度之上，因此，超材料“透鏡”的有效成分也需要如此之小。

　　幸運(yùn)的是，目前在納米尺度上建造微小結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)豐富。所有這一切意味著，我們這種極大優(yōu)化的透鏡或許很快就能登陸消費(fèi)者市場(chǎng)。