为什么光学透镜是VR头显核心，菲涅尔透镜和普通透镜能解决所有

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-09-18 03:41 标签： 菲涅尔透镜和普通透镜

原标题：VR年度透镜排行|更轻，更薄才能满足用户需求

一个硬纸板，两块透镜即可组成一个简易版的VR眼镜盒子；芯片、传感器、显示系统、光学透镜、外壳结构件等零件的结合也可打造成一个性能更完善的VR头显。虽然这两者在体验感受、性能等方面千差万别，但都需要通过那两块小小的透镜将影像传递至人眼。

这两块透镜虽小，上面的学问可真不少。分辨率、刷新率、视场角有多重要无需再多提，再抛开参数，舒适感、对焦、以及重量等对于人们的体验也起着至关重要的作用。为了让用户更好的眼见为“实”，研发人员在这两块小小透镜上可是花费了不少功夫。

菲涅尔透镜：主流VR头显的主流透镜

VR头显中的透镜是基于不同的视觉场以及在局部空间中营造出不同的画面深度感知，在用户大脑视觉系统中形成一个VR视场。而这个VR视场的主要限制因素是透镜，而非瞳孔。为了得到更宽广的视场，需要缩短用户眼球与透镜间的距离，或增加透镜的大小。

如果使用较轻薄的透镜，透镜与显示屏间的距离就会增大，视场会随之缩小，VR头显的体积也会随之增大。而使用更厚的透镜，虽会缩短透镜与显示屏间的距离，但较厚的透镜仍会影响VR头显的体积。同时透镜的厚度也会增加新的工程挑战，容易出现几何失真和色差。　

在种种制约下，菲涅尔透镜从众多透镜中脱颖而出，更薄更轻，同时能够保证显示效果更加稳定。因此当前的主流的几款VR头显，如HTC Vive、Oculus Rift等采用的透镜模式都是基于菲涅尔透镜进行设计的。

当然，菲涅尔透镜本身也存在着一些局限。菲涅尔透镜与普通透镜的虽然是曲率一致，但其一面刻录了大小不一的螺纹，再加上光线无法聚焦在一点上，因此曲率也总是不正确的。虽说也有螺纹较少的菲涅尔透镜，有助于光束集中和提高对比度，但图像的清晰度就会受损。但相较于菲涅尔透镜的优势，这些局限还是可以从其他方面进行弥补。

Valve：研发全新光学透镜，为下一代VR体验做准备

在VR/AR中，有着特殊地位的Valve，手上握着很多能够为所有用户带去优质VR体验的核心技术。而在2017年10月，Valve宣布其正在研发第二代VR全新光学透镜。据悉，该透镜不仅能优化清晰度和图像锐利度，同时也能减少杂散光。

关于这一全新光学透镜，小编了解到，该技术由Valve校准，可支持视场介于85度-120度之间的OLED和LCD显示屏。于此同时，Valve也在研发相对应的校准软件，未来将与新透镜捆绑并加入SteamVR技术套件中。

谈及SteamVR技术套件，Valve表示其中还包括其他有助于优化VR体验的“核心组件”。Valve一直在与专注于研发OLED和LCD显示屏的头显厂商进行谈判，希望通过提供“硬件和软件解决方案”来确保硬件能够提供最佳的体验。

微软：研发新平面透镜技术，旨在实现HoloLens轻型化

可完全独立使用，无需线缆连接、无需同步电脑或智能手机的微软HoloLens一经推出就在业内掀起一场旋风，其性能、价格都被人议论纷纷。可惜的是，就是这么一款售价高昂的设备，还是存在视场角过于狭窄、内置一系列传感器而导致的设备过于笨重的问题。

为了实现Hololens的轻型化，微软精简了设备内部的组件。2017年10月底，微软公布了一项新专利，宣布其将采用一种平面透镜的新技术，让投影机或摄像头的构造比当前设计更加细薄。该专利是一个平面透镜成像系统。在公开的示例中，该系统包含了一个红外发射器，同时配备了一个平面透镜。

据悉，该平面透镜采用了可以由多个微小硅柱子组成的特殊表面结构，以此实现瞬间的折射光线，而不是采用不同厚度的玻璃来实现折射。由于技术采用了一种微观表面结构，所以将其集成到CMOS芯片设计中实际上十分简单和低成本，并且可以支持用于IR发射器和传感器的轻型光学设计。

哈佛研究组：光学新突破，研发纳米超材料薄透镜

虽然光学领域的科学家们一直在努力使用一种采用纳米结构聚焦光线平坦表面的超材料透镜“metalens”，取代传统笨重弯曲镜片。但“metalens”有一个问题，其能够聚焦的光谱范围有限。而近日，随着哈佛大学保尔森工程与应用科学学院（SEAS）在此领域的技术突破，这一情况将得到改善。

据悉，研发人员正在开发一款单块纳米超材料薄透镜，其可将整个可见光谱（包括白光）聚焦在同一个点上，以实现高分辨率。由于每个波长都以不同的速度穿透材料，使得透镜想要聚焦在整个光谱非常困难。这一解决方案在于，设备不断堆叠透镜，而这样也导致了头显重量增重。

而哈佛研究组开发的单块纳米超材料薄透镜，使用二氧化钛纳米阵列来平均聚焦光的波长，并且可以消除因色差带来的图像失真。借助成对的纳米薄膜，超材料透镜能够同时控制不同波长的光的速度。与复合标准消色差透镜相比，这明显降低了厚度和设计的复杂度。

对于团队下一步的规划，哈佛研究组团队表示将透镜的厚度放大到直径1厘米。如果这一设想成为现实，将会为光学等领域，包括VR/AR，带来全新的可能。

当前的VR头显技术已达到一定水平，已能够最大程度满足用户的需求，而在此基础上，用户开始不断提出更高的要求：体验感更优、价格更平易近人、头显外形更美观等。

对于VR硬件厂商而言，这无疑是一份甜蜜的负担。甜蜜在于，大家都开始接受与认可VR；负担在于当前的技术水平摆在那里，如何优化，只能不断的技术突破。就目前而言，摆在VR硬件厂商面前最大的难题是VR头显中的那块屏...

本文属VRPinea原创稿件，转载请洽：

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

（映维网 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。

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？

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。下面映维网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。

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。

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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