為什么光學透鏡是VR頭顯核心？

　　2018年01月03日，對于今天任何一款VR頭顯，當看向圓形遮光護目鏡套的里面時，你將會發(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。大部分人主要關注頭顯的顯示器部分，分辨率是多少?刷新率?對比度呢?然而，位于屏幕前方的透鏡同樣重要。

　　為什么說透鏡是VR頭顯的一個重要組成部分呢，它們又將如何影響VR體驗的質量呢?

　　1. 透鏡基礎

　　透鏡的歷史已有數(shù)千年之久，其背后的基本原理十分簡單。當你透過一塊普通的玻璃來看世界時，你會注意到視圖出現(xiàn)了扭曲。玻璃(水或半透明材料)能夠折射通過它們的光線。根據(jù)給定材料進行設計，并且以你想要的方式來折射光線，這時你就得到了一塊透鏡。

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

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

　　另一個值是材料的角度與光線入射的角度，也就是說光線的折射取決于：1)來向和透鏡的形狀;2)進入透鏡到離開透鏡所需的時間，或者說透鏡的厚度;3)光的波長(顏色)。

　　后一個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，在折射光線時可以將顏色彼此分開。這就是所謂的色差。

　　我們需要關注其他的偏差。球面像差會導致圖像的不同部分聚焦在不同的點上，這意味著如果你希望圖像的中心變得清晰銳利，邊緣就會變得越來越模糊。

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

　　2. 透鏡與VR

　　說到透鏡，以及它們將如何影響VR頭顯，我們首先要關注的是顯示器尺寸。VR頭顯的尺寸越大，所遮擋視圖就越多，視場范圍也越廣。但如果顯示器太大，整體設備則可能過于笨重。從這個角度來看，顯示器越小越好。

　　針對這個問題，一個解決方案是令屏幕接近你的眼睛。這有兩個好處：首先，你不需要更大的顯示器來獲得更寬的視場;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，聚焦在過于靠近的對象時就會令人眼產(chǎn)生不適，這限制了你設置顯示器的距離。

　　這提出了一個問題。我們正常的視場可達180度。作為參考，當前的頭顯屏幕的對角線長度可能約為7英寸(18厘米)，并且盡可能舒適地靠近眼睛，這個屏幕將占用相對較少的視場。結果是用戶需要通過一個非常狹窄的視角來感知你的虛擬世界，就像是在現(xiàn)實世界中使用眼罩那樣。

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

　　但當你試圖通過透鏡來擴大視場時，你將會面臨前文所述的像差問題。相機鏡頭通過一堆復雜的透鏡來解決這一問題，試圖消除所有的像差，并為你提供一張清晰的，沒有失真的照片。遺憾的是，這一系列的透鏡將增加整體設備的重量和長度，以及相當一部分的成本。

　　目前的答案是見于HTC Vive，Oculus Rift和其他頭顯中的菲涅耳透鏡。菲涅爾透鏡相對較薄，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相應地折射光線。如果設計正確，這可以幫助克服僅使用單個透鏡所遭遇的像差。因此，你不需要再像相機那樣使用一大堆透鏡。

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

　　當代頭顯選擇從軟件端入手：以透鏡失真的相反方向預先扭曲圖像，這樣在觀看影像時，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圖像進行預變形，反之亦然。

　　就這樣，你可以獲得寬視場的正確圖像，而且能夠有效減少顯示器的大小。

　　3. 短期與長期

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

　　正如我們所說，菲涅爾透鏡不能解決所有問題。這不僅是因為預扭曲圖像將導致系統(tǒng)為視圖中心提供更多分辨率，減少邊緣分辨率，從而進一步降低本已經(jīng)夠低的VR分辨率;同時是因為菲涅爾透鏡本身無法產(chǎn)生完美聚焦的圖像。這就是為什么相機會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計，希望可以**終解決這個問題。Valve和其他廠商已經(jīng)提出了優(yōu)化的VR菲涅耳透鏡設計，其能夠實現(xiàn)更好的對焦，更有效的分辨率，以及更優(yōu)的放大倍率，使得頭顯設計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。

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

　　從理論上講，超材料透鏡可以產(chǎn)生幾乎沒有任何偏差的圖像，并且能夠在極其輕薄的形態(tài)下實現(xiàn)。然而，其背后的工程設計相當棘手，因為光的波長是在納米尺度之上，因此，超材料“透鏡”的有效成分也需要如此之小。

　　幸運的是，目前在納米尺度上建造微小結構的工程經(jīng)驗已經(jīng)相當豐富。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者市場。