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

　　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?

　　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。

　　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。