为什么光学透镜是VR头显核心 菲涅尔透镜能解决所有问题吗

来源: VR网 作者:yixu 阅读:147 2018-01-03

  2018年01月03日,对于今天任何一款VR头显,当看向圆形遮光护目镜套的里面时,你将会发现两件事情:一块显示虚拟世界的屏幕;位于屏幕前方的一组透镜。大部分人主要关注头显的显示器部分,分辨率是多少?刷新率?对比度呢?然而,位于屏幕前方的透镜同样重要。

光学透镜

  为什么说透镜是VR头显的一个重要组成部分呢,它们又将如何影响VR体验的质量呢?

  1.透镜基础

  透镜的历史已有数千年之久,其背后的基本原理十分简单。当你透过一块普通的玻璃来看世界时,你会注意到视图出现了扭曲。玻璃(水或半透明材料)能够折射通过它们的光线。根据给定材料进行设计,并且以你想要的方式来折射光线,这时你就得到了一块透镜。

  斯内尔定律描述了所有这一切的物理学。下面将与大家一起看看关于斯内尔定律的相关公式值。

  第一个相关值名为“折射率”,它可以告诉你给定材料可以折射多少光线。产生这种效应的原因是,光线进入给定材料时速度会减慢,而光线越慢,折射数量就越多。常见的例子包括空气,水,塑料和玻璃。

  另一个值是材料的角度与光线入射的角度,也就是说光线的折射取决于:1)来向和透镜的形状;2)进入透镜到离开透镜所需的时间,或者说透镜的厚度;3)光的波长(颜色)。

  最后一个因素是透镜中存在的伪影或像差。棱镜是属于透镜的一种,而透镜可以像棱镜一样,在折射光线时可以将颜色彼此分开。这就是所谓的色差。

  我们需要关注其他的偏差。球面像差会导致图像的不同部分聚焦在不同的点上,这意味着如果你希望图像的中心变得清晰锐利,边缘就会变得越来越模糊。

  最后是桶形失真和枕形失真。这种情况常见于当透镜试图纠正上述两种失真的时候,以及试图产生宽视场的时候。这将导致最终图像出现网格被拉伸或挤压的情况。

  2.透镜与VR

  说到透镜,以及它们将如何影响VR头显,我们首先要关注的是显示器尺寸。VR头显的尺寸越大,所遮挡视图就越多,视场范围也越广。但如果显示器太大,整体设备则可能过于笨重。从这个角度来看,显示器越小越好。

  针对这个问题,一个解决方案是令屏幕接近你的眼睛。这有两个好处:首先,你不需要更大的显示器来获得更宽的视场;其次,根据阿基米德的杠杆原理,显示器越接近你的面部,它所施加的力就越小。遗憾的是,聚焦在过于靠近的对象时就会令人眼产生不适,这限制了你设置显示器的距离。

  这提出了一个问题。我们正常的视场可达180度。作为参考,当前的头显屏幕的对角线长度可能约为7英寸(18厘米),并且尽可能舒适地靠近眼睛,这个屏幕将占用相对较少的视场。结果是用户需要通过一个非常狭窄的视角来感知你的虚拟世界,就像是在现实世界中使用眼罩那样。

  解决这个问题的部分办法是,在面部和显示器之间设置一个透镜或一系列的透镜。我们的目标是折射光线,使用本质上是放大镜的透镜来为你提供更宽的视场。你甚至可以将显示器移至通常令眼睛不舒适的位置,合适的透镜将会令视图变得更加舒适。

  但当你试图通过透镜来扩大视场时,你将会面临前文所述的像差问题。相机镜头通过一堆复杂的透镜来解决这一问题,试图消除所有的像差,并为你提供一张清晰的,没有失真的照片。遗憾的是,这一系列的透镜将增加整体设备的重量和长度,以及相当一部分的成本。

  目前的答案是见于HTC Vive,Oculus Rift和其他头显中的菲涅耳透镜。菲涅尔透镜相对较薄,并且刻有一系列刻的同心环,其能够根据光线的不同入射部分来相应地折射光线。如果设计正确,这可以帮助克服仅使用单个透镜所遭遇的像差。因此,你不需要再像相机那样使用一大堆透镜。

  然而,这无法解决所有的问题。尽管菲涅尔透镜提供了宽视场,并且消除了单一透镜中的大部分色差,但它们没有克服桶形失真或枕形失真的问题。

  当代头显选择从软件端入手:以透镜失真的相反方向预先扭曲图像,这样在观看影像时,用户就能获得(近乎)正确的图像。例如,如果透镜将产生要枕形失真,你必须使用桶形失真对图像进行预变形,反之亦然。

  就这样,你可以获得宽视场的正确图像,而且能够有效减少显示器的大小。

  3.短期与长期

  目前的透镜和头显解决方案十分巧妙,但仍不足够。未来的解决方案是什么呢?根据你给出的时间表,我们可以发现一系列不同的答案。但对于短期内的解决方案,其将再次与“遗憾的是”这个词产生联系。

  正如我们所说,菲涅尔透镜不能解决所有问题。这不仅是因为预扭曲图像将导致系统为视图中心提供更多分辨率,减少边缘分辨率,从而进一步降低本已经够低的VR分辨率;同时是因为菲涅尔透镜本身无法产生完美聚焦的图像。这就是为什么相机会选择昂贵的透镜堆栈,而不是菲涅耳透镜。

  行业正在尝试不同的透镜设计,希望可以最终解决这个问题。Valve和其他厂商已经提出了优化的VR菲涅耳透镜设计,其能够实现更好的对焦,更有效的分辨率,以及更优的放大倍率,使得头显设计师可以令显示器更靠近用户眼睛,并且可以生产更小,更薄和更轻的透镜。

  更为长期的计划?我们希望在不太遥远的未来,我们可以通过“超材料”来完全取代传统的透镜。超材料是指在自然界找不到的工程性质材料,其最受欢迎的用例之一是以超级可控的方式来折射光线。

  从理论上讲,超材料透镜可以产生几乎没有任何偏差的图像,并且能够在极其轻薄的形态下实现。然而,其背后的工程设计相当棘手,因为光的波长是在纳米尺度之上,因此,超材料“透镜”的有效成分也需要如此之小。

  幸运的是,目前在纳米尺度上建造微小结构的工程经验已经相当丰富。所有这一切意味着,我们这种极大优化的透镜或许很快就能登陆消费者市场。

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