专栏首页VRPinea如何攻克透镜难关,是墨守成规还是勇于推陈出新?

如何攻克透镜难关,是墨守成规还是勇于推陈出新?

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...

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原始发表时间:2018-01-16

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