在任何VR設(shè)備中，有兩個很重要的部件：一個用來顯示您將要看到的虛擬世界的屏幕，另一個是屏幕前面的一組鏡頭。那么，為什么VR鏡頭是VR設(shè)備的重要組成部分？它們又如何影響虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)效果？ ? ? ?

透鏡

透鏡的第一個系數(shù)稱為折射率，它告訴你給定的材料可以讓光發(fā)生多大的彎折。這種效果的產(chǎn)生是因?yàn)楣饩€進(jìn)入材料時會減慢速度，而且它的速度越慢，彎折的程度就越大。常見的例子包括對水的折射、塑料和玻璃的折射、以及空氣（空氣中折射率較低）。 ?

? 光的折射取決于： 1、材料的折射率和透鏡的形狀； 2、光從進(jìn)入透鏡到離開透鏡所花費(fèi)的時間，或者更確切地說就是透鏡有多厚； 3、光的波長(顏色)。 ? 最后一個因素是透鏡中存在我們不想要的色像差。棱鏡，從上面的介紹中你可能直覺的認(rèn)為這只是另一種類型的鏡頭。但是光線穿過棱鏡，發(fā)生折射時，透鏡將使不同的顏色彼此分離。這就稱為色差。 ? 還有其他一些東西需要關(guān)注。球面色像差導(dǎo)致圖像的不同部分聚焦在不同的點(diǎn)上，這意味著如果希望圖像的中心清晰銳利，邊緣將逐漸模糊。眼睛/相機(jī)的中心我們可以自己選擇，所以焦點(diǎn)所在的區(qū)域最清晰，而周圍會逐漸模糊。 ?

最后，還有一個枕形失真的概念，當(dāng)透鏡試圖校正以上兩種色像差的時候常常會發(fā)現(xiàn)這種失真。這會導(dǎo)致直線網(wǎng)格的最終圖像被拉伸或收縮。 ?

光學(xué)鏡頭和虛擬現(xiàn)實(shí)

當(dāng)談到鏡頭及其對VR畫面的影響時，首先要考慮的是顯示器的大小。VR頭戴式耳機(jī)的顯示屏越大，您的視野就越大，視野也就越寬。但是如果顯示器太大，它可能太重和笨重。從這個角度來看，可能小一點(diǎn)的顯示器比較好。 ?

? 解決重量和尺寸問題的另一個方法是將屏幕更加靠近眼睛。這有兩個優(yōu)點(diǎn)。首先，您不需要更大的顯示器來獲得更寬的視野。第二，由于阿基米德和他的杠桿定律，顯示器離你的臉越近，你的鼻子所需要施加的力就越小?？墒?，人眼不能舒適地聚焦在太近的物體上，這也限制了顯示器的放置距離。 ?

現(xiàn)在常用的屏幕可以在對角線上延伸大約7英寸(18厘米)，甚至更短，這種屏幕將呈現(xiàn)相對較少的視野。結(jié)果是我們試圖通過一個非常狹窄的視野來觀察虛擬世界，就像你在現(xiàn)實(shí)世界中用東西遮擋了你的眼眶，你的視野會減小。 ? 解決這些問題的方法是在你的臉和顯示器之間放置一個透鏡或一系列透鏡。目的是彎折光線，給你一個更廣闊的視野，這里使用的基本上是放大鏡的鏡頭，比你可以用肉眼得到的。您甚至可以將屏幕移動到通常在現(xiàn)實(shí)中難以看到的位置（比如靠近眼睛的位置），使用這種鏡頭，觀看起來會非常舒適。 ?

但是，當(dāng)你引入透鏡并試圖把一個小的視場變成一個更寬的視場時，你就引入了與上述色像差相關(guān)的新問題。相機(jī)鏡頭解決這一問題的方法是使用一組復(fù)雜的鏡頭，這些鏡頭組合了它們的畸變，試圖至少消除大部分的不和諧圖像，并給你一張干凈、沒有任何像差變化的照片。不幸的是，所有這些鏡頭都增加了重量、長度和相當(dāng)多的成本。 ?

目前，解決這一問題的方法是使用Fresnel透鏡，這種透鏡用于HTC Vive、Oculus Rift和其他VR設(shè)備。Fresnel透鏡不是平滑的形狀，而是相對較薄，并且具有一系列刻在其中的同心環(huán)結(jié)構(gòu)，該同心環(huán)被設(shè)計(jì)成根據(jù)光線擊中透鏡的哪一部分而不同地彎曲光線。如果設(shè)計(jì)正確，這可以幫助克服僅使用單個透鏡時遇到的色像差問題。因此，您不需要像使用相機(jī)那樣裝一大堆鏡頭。 ?

然而，這并不能解決所有問題。雖然Fresnel透鏡提供了廣闊的視野，但在單個透鏡中沒有太多的色差，所以它不能克服枕形失真的問題。對于現(xiàn)代VR屏幕技術(shù)，目前使用的解決方案是軟件修改；您必須從鏡頭所產(chǎn)生失真的反方向來扭曲圖像，從而在觀看后產(chǎn)生類似于真正的圖像。例如，如果要消除枕形失真，則必須使用枕形失真反向扭曲圖像。 ?

現(xiàn)狀和未來

因此，目前對透鏡和VR屏幕的解決方案是現(xiàn)在看來比較好的。那么未來的解決方案是什么？具體有幾個答案取決于這個未來的范圍是什么，但最近的未來的一個答案好像不太能讓人滿意。 ? 因?yàn)檎缥覀円呀?jīng)指出的一樣，F(xiàn)resnel透鏡不能解決所有的問題。不僅需要反向變形圖像，還要虛擬視圖的中心的分辨率要高，這在現(xiàn)如今低分辨率的VR世界中是一個問題，而且Fresnel透鏡本身不能產(chǎn)生完全聚焦的圖像。這就是為什么照相機(jī)使用昂貴的一個個鏡頭而不是單個Fresnel透鏡的原因；即使是今天的低分辨率VR頭盔中的圖像也會被它們使用的Fresnel透鏡弄得更模糊。 ? 不過幸運(yùn)的是。各種不同的公司有不同的鏡頭設(shè)計(jì)，尋求解決這個問題。改進(jìn)的VR Fresnel透鏡的設(shè)計(jì)已經(jīng)從Valve VR系列和其他產(chǎn)品中顯現(xiàn)出來，所有這些產(chǎn)品都提供了更好的解決方法，來提供了更好的有效分辨率和更好的放大倍率，這使得頭戴式耳機(jī)設(shè)計(jì)者能夠?qū)@示器越來越靠近佩戴者的眼睛。并且技術(shù)改進(jìn)一定是從更小、更薄和更輕的透鏡開始。 ? ?

? VR設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式是通過屏幕覆蓋人眼所有視角，但因?yàn)槠聊浑x肉眼太近，成像容易產(chǎn)生畸變，這對于光學(xué)鏡頭技術(shù)來說是一個極大的挑戰(zhàn)。波長光電持續(xù)推進(jìn)技術(shù)迭代，提高成像品質(zhì)，VR光學(xué)鏡頭項(xiàng)目將采取精密模具制造，通過自動化生產(chǎn)來提高產(chǎn)品精度。隨著元宇宙熱潮的來臨，VR也迎來新的發(fā)展機(jī)遇。波長光電VR光學(xué)鏡頭項(xiàng)目也是公司搶抓“元宇宙”機(jī)遇，加快布局VR領(lǐng)域的一大重要舉措。? ? ? ? ? ? ?

? 三種不同的版本：Professional，Premium，Enterprise Zemax有三種不同的版本：Professional是專業(yè)版，包含序列光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、非序列光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、偏振光線追跡、物理光學(xué)分析；Premium是旗艦版，包含專業(yè)版的功能，適用于更高級專業(yè)用戶，增加了ParkLink、AssemblyLink、光源模型庫、高級光路分析以及閃電追跡等功能；Enterprise是企業(yè)版，包含旗艦版的所有功能，增加了star模塊。 Zemax現(xiàn)在有訂閱版模式，客戶可以根據(jù)需要按時間進(jìn)行付費(fèi)使用。 ?
產(chǎn)品用途
Zemax的應(yīng)用領(lǐng)域及范圍
● 顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、目鏡等鏡頭設(shè)計(jì)等
● 相機(jī)鏡頭、各種變焦鏡頭、手機(jī)攝像頭、夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)等
● 各種LED二次配光透鏡，色度分析及顏色混合優(yōu)化等
● 車燈、LCD 背光板和LED等照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化
● 光管、光纖連接器，有源及無源器件、光纖耦合
● DVD、VCD 激光讀寫頭、干涉儀、全息光學(xué)
● LCOS、DLP等各種投影儀及光學(xué)引擎設(shè)計(jì)
● 物理光學(xué)BPM計(jì)算，偏振光學(xué)
● 激光光學(xué)系統(tǒng)，擴(kuò)束鏡，F(xiàn)-theta掃描鏡，整形鏡
● RCWA 微納光柵設(shè)計(jì)（微結(jié)構(gòu)、體全息）
● AR、VR光學(xué)設(shè)計(jì)，HUD設(shè)計(jì) ?
技術(shù)性能
軟件可以實(shí)現(xiàn)的主要功能
● 幾何光學(xué)設(shè)計(jì)：成像鏡頭設(shè)計(jì)、成像質(zhì)量分析、溫度環(huán)境分析、加工公差分析等
● 物理光學(xué)設(shè)計(jì)：激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計(jì)及分析，光學(xué)相干衍射特性分析、光纖耦合等
● 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)：照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，光機(jī)設(shè)計(jì)，和3D模型軟件動態(tài)鏈接，光源庫等
● ZPL語言擴(kuò)展：自帶的編程語言可以實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展
● 擴(kuò)展功能：可以和C語言、C++、python等編程語言進(jìn)行配合使用 ? ? ?

編輯：黃飛

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