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从头盔到眼镜,超短焦光学如何成为VR产品进化路上的“瘦身良药”?

时间:2020-06-17 16:01:18  目录:  编辑:

  从去年开始,采用短焦光学方案的VR显示器开始走进大众视野。

  如果将VR头显比作一个大胖子,那VR眼镜则是前者完成了各项健美计划后的样子。正如人人都爱帅哥美女一样,“瘦身”成功的VR眼镜凭借着一副“苗条身姿”吸引了不少VR爱好者的目光。所谓VR产品的“健美计划”,其实就是VR头显从传统光学向超短焦光学落地普及的过程。

  去年4月,深圳VR设备厂商3Glasses发布首款VR眼镜产品X1,预示着短焦VR光学正式走向消费级市场;同年9月,Oculus在Connect 6开发者大会上公布了Half Dome 3原型机,其在短焦光学变焦显示技术上取得的优异成果为日后落地小型VR设备铺平了道路;HUAWEI、Pico紧随其后,也分别发布了自家的VR眼镜产品。

  不难看出,VR显示器的“健美计划”已是初现成效。但这是否就是超短焦光学方案的最终形态了?是否意味着VR眼镜就一定会成为替代VR头显的存在,成为新的主流?让大家从短焦光学的原理开始,逐一解答上述问题。

  超短焦光学方案,VR设备的“瘦身良药”

  国内最早推出超短焦方案VR产品,是在2016年。当时,国内厂商多哚(Dlodlo)推出首款VR眼镜:其正面酷似一个飞行眼罩,重量则只有78g。对于当时手机盒子横行的VR市场而言,这款产品着实令人眼前一亮,然而最终也没能等到它量产上市的一天。

  

 

  从初次冒头至今,短焦光学已打磨发展了4年时间。这期间,以FOV从小到大来分有自由曲面和基于反射偏振的折叠光路(Pancake)两种方案,这在VR产品设计中比较常见。

  1、落地:Pancake

  若按照可量产程度来分,反射偏振的折叠光路(Pancake)当属第一。

  Pancake可以细分为两片式和多片式两种折返方案,目前市面上常见的两片式居多,由于其对生产工艺的要求简单,成本可控且成像效果有保障,因此也是目前大多数VR眼镜所采用的短焦光学方案。

  大家知道,VR头显通过一组凸透镜实现成像,通常需要保持屏幕与人眼3cm左右的间隔,从而增加设备厚度。基于Pancake技术方案的VR眼镜,图像源进入半反半透功能的镜片之后,光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返,最终从反射式偏振片射出。通过此种光学方案,能极大的缩小了产品体积。

  

 

  Pancake原理

  Pancake方案的核心,是当半反半透功能的镜片加在其中,折返的过程会造成重影的负面产物并直接影响成像质量,而偏振膜(起偏器)的使用得以消除这些负面的影响。

  影创董事长孙立告诉VR陀螺:“LCD屏幕自带偏振,只需要在镜片上镀一层偏振膜,那么在第一次折返的时候就能尽量达到全反,第二次光进入时偏振状态会变化,因此透射效率会变得很高,反射效率会变得很低,这样就不会看到明显的重影。如果是OLED屏幕,那么一开始就会通过偏振膜(起偏器),这一过程会让其亮度降低一半左右。”

  多片式(一般指5到6片)的折返方案,就是利用比常规微显示屏更小的硅基微显示屏以及更多的镜片堆叠来设计光路。由于相比两片折返方案结构上更加紧凑,因此VR眼镜的体积会减少更多。但是,多片折返方案中光学镜片越多,组装以及镀膜的难度也就越大。

  Pico产品负责人称:“影响Pancake光学质量的,主要在注塑精度、杂散光、光轴对准调焦、脏污等问题上。所以相较而言,共轴自由曲面是更加有效的改善方案,由于是反射式系统,畸变和色差的影响不是很大,所以在设计时,在考虑的权重上不大。”

  2、探索:自由曲面

  顾名思义,这类透镜是为特定光路模组设计的,非常规镜片形状的透镜。理论上讲,自由曲面的镜片可以消除各种各样的色散、畸变,但实际上加工这类镜片的过程十分困难,所以真正使用在VR眼镜中的成本更高且条件也更苛刻。

  由于镜片形状随机,加工过程中会遇到更加诡异的畸变和不可测量的因素。通常情况下,共轴自由曲面光学通过五轴或者十轴拟合出一个普通的面型,所以实际上加工出来的结果也只能是拟合面型,不能100%还原。

  

 

  MR一体机R-1的四叠反射折射自由曲面棱镜

  孙立表示:“将自由曲面技术用到VR设备中难度过高,这会在加工时引入不可控畸变。如果你设置的畸变值只有2%,实际上最后呈现下来是4%,是不规则的。和规则镜片的筒状畸变不同,后者可以用标准算法来校准,自由曲面畸变就只能单台校准。”

  当然,离轴自由曲面的方案在像质(VR眼镜一个很重要的参数,下面会谈到)的表现上不亚于堆叠方案,甚至有更多的调教手段。Quest对于畸变的调教做的非常极致,只有把所有畸变都降低到1%以下,才会有身临其境的感觉,这种细微的差别在双6DOF体验中会很容易被察觉。

  目前,离轴自由曲面被更多用在MR头显的设计方案之中。

  一方面,MR头显大多主打高端路线,其价格能够支撑光学方案的落地;另外,离轴自由曲面方案受到工艺难度影响,通常FOV较小。尽管已经有企业设计出基于该方案的VR眼镜,但并不具备落地的条件。

  3、未来:复眼光学(统称)

  除了上述两种常见的短焦光学方案之外,还有两种光学方案目前被更多的适用于AR/MR眼镜的开发——衍射光波导、几何光学微透镜阵列,它们都使用了复眼成像的原理。

  目前两种方案在工艺和量产问题上都尚待解决,但是孙立认为,尽管复眼原理的两种光学技术现阶段无法满足VR眼镜的全部需求,但却是未来VR/AR光学的总体发展方向,因为上述技术可实现扩瞳。

  简单说明,非扩瞳的情况就是当你在佩戴VR头显时,清晰的图像往往只是集中在最中心位置视点,如果眼睛位置改变了,画面就会变得十分模糊。可以想象,未来大家所佩戴的VR眼镜如果是基于衍射光波导或者几何光学微透镜阵列,那么大家的眼睛在任何位置注视画面都是相同畸变清晰的图像。

  微型显示屏带来的挑战

  VR眼镜之所以能变“小”,其本质原因还是使用了微型显示屏。包括上面为大家先容的三种主流的超短焦显示方案,它们无一例外都是基于微型显示屏成像的。

  无论是哪种方案,超短焦光学所使用的屏幕与传统的显示屏都是不同的。一般方案中使用到的显示屏大点的也就1.8寸,更小的Micro OLED屏幕不到1寸。

  也就是说,短焦光学方案一方面要实现体积缩减,还有一个更主要的任务——将这块不到1寸的显示屏变成清晰度极高的超大屏,这时候,就不得不提“像质”了。

  孙立称:“短焦光学设计的主要一个要求就是像质(MTF)优先。在MTF参数曲线中,包含了非常多的比如对于图像本身极限分辨率的设定,有的光学系统的极限分辨率可能只能做到几百PPI。由于微显示器像素密度很高,如果MTF做的很低,虽然能显示一个120或90度FOV的图像,但是没有办法把清晰度做的和屏幕一样,这就会造成分辨率的浪费。”

  

 

  单就Pancake方案来说,更多镜片折返的目的是为了使用更小的硅基OLED的屏幕,1寸以内的屏幕是无法使用两个镜片的光学模组来显示的,原理上需要通过光学系统先把一寸屏本身的口径放大,再通过折返的光路传递到眼镜里面。

  由于采用多镜片的Pancake方案可以将其结构做的更加紧凑,所以整体的VR眼镜的体积会更小,但是光路的复杂程度直接导致了光学模组的加工工艺难度的攀升,所以目前市面还没有看到有量产的产品。

  孙立表示:“现在量产VR眼镜的PPI水平,就是类似HUAWEIVR Glass这样1600X1600的微型LCD的屏幕。但之前视涯推出了Micro OLED的方案,其PPI可以做到2000到3000左右,分辨率做到单眼2560X2560,比前者都要更清晰。但是目前成本和组装难度都相对较大,所以暂时还没有看到这类方案的眼镜量产。”

  如果只讨论Micro OLED的方案,目前屏幕本身可以将PPI做到3000甚至4000以上,所以画面呈现上可以做到更加细腻,没有纱窗效应的画质效果。Pico产品负责人表示:“体积小重量轻,是VR设备永恒的主题。目前产业链还在逐渐成熟的阶段,特别是成本较高,影响到价格。FOV再往上增加到100度以上会越来越困难。”

  VR眼镜普及尚需等待

  从VR眼镜的供应链生态角度来看,整体的供应量还处在低迷的状态。目前,除了京东方的常规微显示屏整体成本可以略微拉下来,Micro OLED屏幕都还处在较高的量产成本阶段。

  孙立认为,现阶段VR眼镜的发展尚处早期,从技术方面看,目前提供短焦相关解决方案的歌尔、舜宇等OEM厂商均具备生产Pancake光学方案的能力。然而,大厂的推动对于新兴科技的普及尤为重要,大家已经看到HUAWEI在布局超短焦VR眼镜的道路上迈出第一步。

  

 

  (苹果VR眼镜网络概念图)

  另一方面,除了VR眼镜的光学模组部分,孙立认为双6DoF体验将成为VR眼镜的标配。他称:“将双6DoF做进小体积的VR眼镜并非难事,无论是外置(类似HUAWEIVR Glass)还是内置(类似目前常见的AR眼镜)都可以实现。但是,截至目前,国内还没有一款6DOF技术真正媲美Quest的产品,加上内容生态方面的缺失,成为了VR眼镜普及的最大拦路虎。”

  孙立表示:“未来3年到5年,大家有望看到真正意义上超短焦VR眼镜的落地。和2016年类似,在这之前以体型小巧为卖点的VR眼镜噱头有可能不请自来。但是一款产品是否受欢迎,其中一个重要指标就是活跃度,如果消费者买了产品之后只是放家里积灰,那其对于一款产品的普及又会有多大帮助呢?”




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