VR的硬件技术（3）—— 光学技术篇 - 网站源码_资源分享

[1]不过自 VR隐形眼镜晚期面世年来，这种选用一般而言自由浮动镜片的光学结构设计始终没有发生太小的变动。

在许多其他 VR 控制技术，据实时追踪和图形等表明出稳步增长的同时，光学系统结构设计的发展却始终无以为继。光学结构设计增长迅速，始终是VR井喷式收缩的困局。

1.可见光组织工作基本原理

在介绍VRM102z的摄影机是怎样组织工作的以后，他们具体来说须要介绍他们的双眼是怎样组织工作的。

右图是他们的可见光内部结构图：

可见光的角膜相等于两个可手动控制关注点的凸镜片，发生改变入射，使其著眼在角膜上。当他们看高处的的球体，晶状体是收紧的，球体反射强光基本上相连接步入角膜。

高处斜视

当蚯蚓这样的球体向你紧邻时，为的是维持变焦状况，角膜凸度减小，使球体能光学到角膜上。

著眼范围内公益活动的蚯蚓

但如果蚯蚓地小太近，远远超过了角膜的最小调节效用，他们就会丧失关注点。

可见光极难看见距他们7cm以上的球体，VRM102z一般离可见光3cm~7cm间，这就是为何VRM102z须要采用特定摄影机的其原因，由于再次矫治强光，使他们可见光能著眼。

VR光学结构设计图

2.1现代VR光学控制技术

起初三代的商品化VR电子设备都选用了现代的VR光学系统，每一双眼相关联两个单镜片，孔径角FOV与M102z尺寸间存在权衡关系，热门产品通常具有 90° 到 110° 的双目 FOV，M102z厚度约为 5 厘米、M102z宽度约为 15 厘米。也有VRM102z双目 FOV 能达到 180° 到 210°，但M102z的尺寸相对较大且笨重，厚度约为 10 厘米，宽度约为 30 厘米。

现代的 VR 光学器件

普通单镜片

2.2 菲涅耳镜片

菲涅耳镜片由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳所发明的一种镜片。此结构设计原来被应用于灯塔，这个结构设计可以建造更大孔径的镜片，其特点是焦距短，且比一般的镜片的材料用量更少、重量与体积更小。和晚期的镜片相比，菲涅耳镜片更薄，因此可以传递更多的光，使得灯塔即使距相当远仍可看见。

为提升M102z孔径角降低M102z重量与厚度，绝大多数VRM102z制造商选用菲涅尔镜片作为超短焦摄影机结构设计图。

菲涅耳镜片（螺纹镜片）

右图是菲涅耳镜片基本原理GIF图：

现代单镜片VS菲涅尔镜片

2.3 偏振的光学折叠控制技术

2020年，Meta Reality Labs 提出了一款VR隐形眼镜概念机型，它的结构设计与当今市场上的大多数其他 VR 电子设备完全不同。这款概念VR隐形眼镜就像一款普通的太阳镜。很多人认为这就是一款AR隐形眼镜，但是Meta坚持这是一款 VR 隐形眼镜。如右图所示，他们可以发现它的镜片非常薄，厚度不到 9 毫米，Meta声称它们的视野“可与当今的消费级 VR 产品相媲美”。这是两个自上而下的视图：

这款概念验证隐形眼镜不仅看起来很薄，它的光学基本原理也与市场上现代的VR隐形眼镜完全不同。Meta研究团队称其为为“全息光学”控制技术。

左图是现代的VRM102z选用的光学元件，简单的折射镜片；右图是基于偏振的光学折叠控制技术，帮助减少实际表明器和著眼图像的摄影机间的距。通过基于偏振的光学折叠，可以控制强光在摄影机内前后移动，这样这个空白空间就可以多次穿越，将原始所须要的空间折叠成一小部分。

目前这款隐形眼镜仍是概念机型，仍处于研究阶段，尚未上市。但这项研究让他们看见了未来VR/AR一体机实现的可能性。

3. AR主流光学结构设计图

具体来说他们先介绍一下AR隐形眼镜能使怎样表明的？他们希望AR隐形眼镜能有科幻电影中的效果，轻薄易交互，至于怎么实现的，他们不管。

那么，AR隐形眼镜和VR隐形眼镜的光学控制技术为何不同，有何不同？

让他们先看看几种表明控制技术：LCD/LED; 半透明屏幕和VR隐形眼镜凸镜片。

AR隐形眼镜可以选用LCD, LED屏幕控制技术吗？不行。因为他们无法透明。

那么用透明电视的半透明屏幕？不行，因为可见光最近的变焦距在6.5cm左右。

那像VR隐形眼镜一样通过凸镜片发生改变光路可以吗？不行，因为现实中的球体也会被一起变形。

那么，问题来了，那种控制技术既能做到有表明区域让隐形眼镜变焦看清，无表明区域又能完全透明？

答案是投影。在双眼内部生成图像然后通过反复折射延长光路投射到角膜上。而VR隐形眼镜的真正难题在于怎样把投影做小。

这里就要提到开创微型投影控制技术研发的Microvision，Microvision投影方案是有三色激光器发出激光，通过棱镜汇合后射向两个微镜，其中快镜控制横向扫描，慢镜控制纵向移动，从而一行行把画面扫出来。此方案体积小，发热低，只需增加镜子的转动角度，就可以任意控制投放比；AR隐形眼镜的表明难题由此迎刃而解。

好了，接下来是主流AR隐形眼镜的光学控制技术方案：

3.1 Birdbath方案

组织工作基本原理：Birdbath光学结构设计把来自表明源的强光（上图中的蓝线）投射至45度角的分光镜（垂直于前额的黑色矩形）。分光镜具有反射和透射值（R / T），允许强光以R的百分比进行部分反射，而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看见现实世界的物理对象，以及由表明器生成的数字影像。从分光镜反射回来的强光弹到合成器上。这是两个凹面镜，可以把强光再次导向双眼（上图中的虚线）。

选用这种光学结构设计的主要M102z包括：联想Mirage ARM102z与ODG R8和R9。

Mirage ARM102z

3.2 曲面反射镜（Bug-Eye 虫眼）

虫眼光学结构设计

组织工作基本原理：虫眼M102z选用了相对简单的光学结构设计。它搭载了低成本的LCD表明源，以及带反射/透射（R/T）值的曲面反射镜。表明器发出的强光直接射至凹面镜/合成器，并且反射回眼内。表明源的理想位置居中，并与镜面相连接。从控制技术上讲，理想位置是令表明源覆盖用户的双眼，所以大多数结构设计都将表明器移至“轴外”，设置在额头上方。凹面镜上的离轴表明器存在畸变，须要在软件/表明器端进行修正。

选用这种光学结构设计的M102z主要包括：Mira Prism，Meta 2，Leap Motion ，Dream World。