從頭盔到眼鏡,超短焦光學(xué)如何成為VR產(chǎn)品進(jìn)化路上的“瘦身良藥”? | VR陀螺
發(fā)布時(shí)間:2020-06-17 13:38 | 標(biāo)簽:
VR Oculus 3Glasses 光學(xué) 超短焦
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從去年開始,采用短焦光學(xué)方案的VR顯示器開始走進(jìn)大眾視野。
如果將VR頭顯比作一個(gè)大胖子,那VR眼鏡則是前者完成了各項(xiàng)健美計(jì)劃后的樣子。正如人人都愛帥哥美女一樣,“瘦身”成功的VR眼鏡憑借著一副“苗條身姿”吸引了不少VR愛好者的目光。所謂VR產(chǎn)品的“健美計(jì)劃”,其實(shí)就是VR頭顯從傳統(tǒng)光學(xué)向超短焦光學(xué)落地普及的過程。
去年4月,深圳VR設(shè)備廠商3Glasses發(fā)布首款VR眼鏡產(chǎn)品X1,預(yù)示著短焦VR光學(xué)正式走向消費(fèi)級(jí)市場;同年9月,Oculus在Connect 6開發(fā)者大會(huì)上公布了Half Dome 3原型機(jī),其在短焦光學(xué)變焦顯示技術(shù)上取得的優(yōu)異成果為日后落地小型VR設(shè)備鋪平了道路;華為、Pico緊隨其后,也分別發(fā)布了自家的VR眼鏡產(chǎn)品。
不難看出,VR顯示器的“健美計(jì)劃”已是初現(xiàn)成效。但這是否就是超短焦光學(xué)方案的最終形態(tài)了?是否意味著VR眼鏡就一定會(huì)成為替代VR頭顯的存在,成為新的主流?讓我們從短焦光學(xué)的原理開始,逐一解答上述問題。
超短焦光學(xué)方案
VR設(shè)備的“瘦身良藥”
國內(nèi)最早推出超短焦方案VR產(chǎn)品,是在2016年。當(dāng)時(shí),國內(nèi)廠商多哚(Dlodlo)推出首款VR眼鏡:其正面酷似一個(gè)飛行眼罩,重量則只有78g。對(duì)于當(dāng)時(shí)手機(jī)盒子橫行的VR市場而言,這款產(chǎn)品著實(shí)令人眼前一亮,然而最終也沒能等到它量產(chǎn)上市的一天。
從初次冒頭至今,短焦光學(xué)已打磨發(fā)展了4年時(shí)間。這期間,以FOV從小到大來分有自由曲面和基于反射偏振的折疊光路(Pancake)兩種方案,這在VR產(chǎn)品設(shè)計(jì)中比較常見。
若按照可量產(chǎn)程度來分,反射偏振的折疊光路(Pancake)當(dāng)屬第一。
Pancake可以細(xì)分為兩片式和多片式兩種折返方案,目前市面上常見的兩片式居多,由于其對(duì)生產(chǎn)工藝的要求簡單,成本可控且成像效果有保障,因此也是目前大多數(shù)VR眼鏡所采用的短焦光學(xué)方案。
我們知道,VR頭顯通過一組凸透鏡實(shí)現(xiàn)成像,通常需要保持屏幕與人眼3cm左右的間隔,從而增加設(shè)備厚度。基于Pancake技術(shù)方案的VR眼鏡,圖像源進(jìn)入半反半透功能的鏡片之后,光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返,最終從反射式偏振片射出。通過此種光學(xué)方案,能極大的縮小了產(chǎn)品體積。
Pancake方案的核心,是當(dāng)半反半透功能的鏡片加在其中,折返的過程會(huì)造成重影的負(fù)面產(chǎn)物并直接影響成像質(zhì)量,而偏振膜(起偏器)的使用得以消除這些負(fù)面的影響。
影創(chuàng)董事長孫立告訴VR陀螺:“LCD屏幕自帶偏振,只需要在鏡片上鍍一層偏振膜,那么在第一次折返的時(shí)候就能盡量達(dá)到全反,第二次光進(jìn)入時(shí)偏振狀態(tài)會(huì)變化,因此透射效率會(huì)變得很高,反射效率會(huì)變得很低,這樣就不會(huì)看到明顯的重影。如果是OLED屏幕,那么一開始就會(huì)通過偏振膜(起偏器),這一過程會(huì)讓其亮度降低一半左右。”
多片式(一般指5到6片)的折返方案,就是利用比常規(guī)微顯示屏更小的硅基微顯示屏以及更多的鏡片堆疊來設(shè)計(jì)光路。由于相比兩片折返方案結(jié)構(gòu)上更加緊湊,因此VR眼鏡的體積會(huì)減少更多。但是,多片折返方案中光學(xué)鏡片越多,組裝以及鍍膜的難度也就越大。
Pico產(chǎn)品負(fù)責(zé)人稱:“影響Pancake光學(xué)質(zhì)量的,主要在注塑精度、雜散光、光軸對(duì)準(zhǔn)調(diào)焦、臟污等問題上。所以相較而言,共軸自由曲面是更加有效的改善方案,由于是反射式系統(tǒng),畸變和色差的影響不是很大,所以在設(shè)計(jì)時(shí),在考慮的權(quán)重上不大。”
顧名思義,這類透鏡是為特定光路模組設(shè)計(jì)的,非常規(guī)鏡片形狀的透鏡。理論上講,自由曲面的鏡片可以消除各種各樣的色散、畸變,但實(shí)際上加工這類鏡片的過程十分困難,所以真正使用在VR眼鏡中的成本更高且條件也更苛刻。
由于鏡片形狀隨機(jī),加工過程中會(huì)遇到更加詭異的畸變和不可測(cè)量的因素。通常情況下,共軸自由曲面光學(xué)通過五軸或者十軸擬合出一個(gè)普通的面型,所以實(shí)際上加工出來的結(jié)果也只能是擬合面型,不能100%還原。
MR一體機(jī)R-1的四疊反射折射自由曲面棱鏡
孫立表示:“將自由曲面技術(shù)用到VR設(shè)備中難度過高,這會(huì)在加工時(shí)引入不可控畸變。如果你設(shè)置的畸變值只有2%,實(shí)際上最后呈現(xiàn)下來是4%,是不規(guī)則的。和規(guī)則鏡片的筒狀畸變不同,后者可以用標(biāo)準(zhǔn)算法來校準(zhǔn),自由曲面畸變就只能單臺(tái)校準(zhǔn)。”
當(dāng)然,離軸自由曲面的方案在像質(zhì)(VR眼鏡一個(gè)很重要的參數(shù),下面會(huì)談到)的表現(xiàn)上不亞于堆疊方案,甚至有更多的調(diào)教手段。Quest對(duì)于畸變的調(diào)教做的非常極致,只有把所有畸變都降低到1%以下,才會(huì)有身臨其境的感覺,這種細(xì)微的差別在雙6DOF體驗(yàn)中會(huì)很容易被察覺。
目前,離軸自由曲面被更多用在MR頭顯的設(shè)計(jì)方案之中。
一方面,MR頭顯大多主打高端路線,其價(jià)格能夠支撐光學(xué)方案的落地;另外,離軸自由曲面方案受到工藝難度影響,通常FOV較小。盡管已經(jīng)有公司設(shè)計(jì)出基于該方案的VR眼鏡,但并不具備落地的條件。
3、未來:復(fù)眼光學(xué)(統(tǒng)稱)
除了上述兩種常見的短焦光學(xué)方案之外,還有兩種光學(xué)方案目前被更多的適用于AR/MR眼鏡的開發(fā)——衍射光波導(dǎo)、幾何光學(xué)微透鏡陣列,它們都使用了復(fù)眼成像的原理。
目前兩種方案在工藝和量產(chǎn)問題上都尚待解決,但是孫立認(rèn)為,盡管復(fù)眼原理的兩種光學(xué)技術(shù)現(xiàn)階段無法滿足VR眼鏡的全部需求,但卻是未來VR/AR光學(xué)的總體發(fā)展方向,因?yàn)樯鲜黾夹g(shù)可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)瞳。
簡單解釋,非擴(kuò)瞳的情況就是當(dāng)你在佩戴VR頭顯時(shí),清晰的圖像往往只是集中在最中心位置視點(diǎn),如果眼睛位置改變了,畫面就會(huì)變得十分模糊??梢韵胂?,未來我們所佩戴的VR眼鏡如果是基于衍射光波導(dǎo)或者幾何光學(xué)微透鏡陣列,那么我們的眼睛在任何位置注視畫面都是相同畸變清晰的圖像。
VR眼鏡之所以能變“小”,其本質(zhì)原因還是使用了微型顯示屏。包括上面為大家介紹的三種主流的超短焦顯示方案,它們無一例外都是基于微型顯示屏成像的。
無論是哪種方案,超短焦光學(xué)所使用的屏幕與傳統(tǒng)的顯示屏都是不同的。一般方案中使用到的顯示屏大點(diǎn)的也就1.8寸,更小的Micro OLED屏幕不到1寸。
也就是說,短焦光學(xué)方案一方面要實(shí)現(xiàn)體積縮減,還有一個(gè)更主要的任務(wù)——將這塊不到1寸的顯示屏變成清晰度極高的超大屏,這時(shí)候,就不得不提“像質(zhì)”了。
孫立稱:“短焦光學(xué)設(shè)計(jì)的主要一個(gè)要求就是像質(zhì)(MTF)優(yōu)先。在MTF參數(shù)曲線中,包含了非常多的比如對(duì)于圖像本身極限分辨率的設(shè)定,有的光學(xué)系統(tǒng)的極限分辨率可能只能做到幾百PPI。由于微顯示器像素密度很高,如果MTF做的很低,雖然能顯示一個(gè)120或90度FOV的圖像,但是沒有辦法把清晰度做的和屏幕一樣,這就會(huì)造成分辨率的浪費(fèi)。”
單就Pancake方案來說,更多鏡片折返的目的是為了使用更小的硅基OLED的屏幕,1寸以內(nèi)的屏幕是無法使用兩個(gè)鏡片的光學(xué)模組來顯示的,原理上需要通過光學(xué)系統(tǒng)先把一寸屏本身的口徑放大,再通過折返的光路傳遞到眼鏡里面。
由于采用多鏡片的Pancake方案可以將其結(jié)構(gòu)做的更加緊湊,所以整體的VR眼鏡的體積會(huì)更小,但是光路的復(fù)雜程度直接導(dǎo)致了光學(xué)模組的加工工藝難度的攀升,所以目前市面還沒有看到有量產(chǎn)的產(chǎn)品。
孫立表示:“現(xiàn)在量產(chǎn)VR眼鏡的PPI水平,就是類似華為VR Glass這樣1600X1600的微型LCD的屏幕。但之前視涯推出了Micro OLED的方案,其PPI可以做到2000到3000左右,分辨率做到單眼2560X2560,比前者都要更清晰。但是目前成本和組裝難度都相對(duì)較大,所以暫時(shí)還沒有看到這類方案的眼鏡量產(chǎn)。”
如果只討論Micro OLED的方案,目前屏幕本身可以將PPI做到3000甚至4000以上,所以畫面呈現(xiàn)上可以做到更加細(xì)膩,沒有紗窗效應(yīng)的畫質(zhì)效果。Pico產(chǎn)品負(fù)責(zé)人表示:“體積小重量輕,是VR設(shè)備永恒的主題。目前產(chǎn)業(yè)鏈還在逐漸成熟的階段,特別是成本較高,影響到價(jià)格。FOV再往上增加到100度以上會(huì)越來越困難。”
從VR眼鏡的供應(yīng)鏈生態(tài)角度來看,整體的供應(yīng)量還處在低迷的狀態(tài)。目前,除了京東方的常規(guī)微顯示屏整體成本可以略微拉下來,Micro OLED屏幕都還處在較高的量產(chǎn)成本階段。
孫立認(rèn)為,現(xiàn)階段VR眼鏡的發(fā)展尚處早期,從技術(shù)方面看,目前提供短焦相關(guān)解決方案的歌爾、舜宇等OEM廠商均具備生產(chǎn)Pancake光學(xué)方案的能力。然而,大廠的推動(dòng)對(duì)于新興科技的普及尤為重要,我們已經(jīng)看到華為在布局超短焦VR眼鏡的道路上邁出第一步。
(蘋果VR眼鏡網(wǎng)絡(luò)概念圖)
另一方面,除了VR眼鏡的光學(xué)模組部分,孫立認(rèn)為雙6DOF體驗(yàn)將成為VR眼鏡的標(biāo)配。他稱:“將雙6DOF做進(jìn)小體積的VR眼鏡并非難事,無論是外置(類似華為VR Glass)還是內(nèi)置(類似目前常見的AR眼鏡)都可以實(shí)現(xiàn)。但是,截至目前,國內(nèi)還沒有一款6DOF技術(shù)真正媲美Quest的產(chǎn)品,加上內(nèi)容生態(tài)方面的缺失,成為了VR眼鏡普及的最大攔路虎。”
孫立表示:“未來3年到5年,我們有望看到真正意義上超短焦VR眼鏡的落地。和2016年類似,在這之前以體型小巧為賣點(diǎn)的VR眼鏡噱頭有可能不請(qǐng)自來。但是一款產(chǎn)品是否受歡迎,其中一個(gè)重要指標(biāo)就是活躍度,如果消費(fèi)者買了產(chǎn)品之后只是放家里積灰,那其對(duì)于一款產(chǎn)品的普及又會(huì)有多大幫助呢?”
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