揭秘虚拟现实玩到吐的元凶 VR镜头的门道 - 全文

　　如今市面上的VR设备品类繁多，质量也良莠不齐。随着买到VR的使用者越来越多，人们在新鲜劲过了之后，对于VR的抱怨和质疑也不绝于耳。玩VIVE虽然high，但是很多移动类型的VR盒子，体验起来实在是一言难尽。

　　VR镜片的评价标准

　　黄博士将VR镜片按照设备整体的品质指标总结为八条标准：图像清晰、沉浸感好、畸变小、色散小、重量轻、价格优势、可加工性能好、以及使用人群广。
 

　　

　　1.图像清晰

　　（1）MTF值高

　　摄影爱好者可能熟悉MTF曲线，全称为调制传递函数（Modulation Transfer Function），这是一种通过数学函数表现镜头对图像作用的衡量工具。MTF是一个归一化的数值，反映了镜头对物体的还原能力，数值越高，则镜片品质越好。

　　

　　（上图为尼康镜头AF-S-NIKKOR-35mm-f1.8G-ED的MTF曲线。）

　　摄影爱好者们对于MTF值反映镜头成像质量的几条通用的标准体现为：

　　1. MTF值越接近1越好，即MTF线越高越好

　　2.粗线（上图的红线）越高，说明镜头的反差表现越好

　　3.细线（上图的蓝线）越高，说明镜头的分辨率越好

　　4. MTF曲线越平坦，说明边缘和中心的成像差距越小

　　5.实线和虚线越接近，说明镜头的焦外成像越好

　　不同类型的VR设备，其构成模块都有不同，但即便原理最简单的VR盒子也需要光学模块，这一部分是使用者最直接体验的性能。 而就元件品质而言，MTF的衡量标准是光学元件通用的。

　　（2）像差小

　　像差（Optical aberration）反应理论成像与镜头（或镜头组合）实际成像的偏差。在光学系统设计中，尽可能减小相差是重要的指标。

　　（3）孔径大

　　这里指的是镜头的数值孔径。数值孔径越大，镜头的空间分辨率越高，成像越明亮。但景深也会越浅，同时容易引入像差。

　　2.沉浸感好

　　（1）FOV大

　　FOV（Field of view ）指的是镜头的视场，也就是通过镜头能观测物空间的范围。通过焦距或其他物距参数进行换算，就是我们常说的视场角。视场越大，沉浸感越好。

　　（2） 清晰度一致

　　成像质量均匀一致，用户才不会“一秒出戏”。

　　3.畸变小

　　畸变其实也是前文中我们所说“像差”的一种。它的产生是由于物方与镜头主光轴存在垂直偏差。镜头焦距的不同会使得成像容易产生不同的畸变。

　　

　　畸变越小，对其矫正就越少，清晰度的损失也就越小。

　　4.色散小　　

　　色散是一个很常见的光学现象，反映了波长不同的单色光在成像时表现出的位置偏移。

　　反映在镜头成像时就是这个样子。（是不是找到了手机拍照渣画质的一大元凶了？）

　　（上图引用自网友对索尼RX100 II镜头的评测）

　　同样也是基于对色散的矫正，会议损失画面清晰度为代价，所以需要成像系统色散越小越好。

　　5.重量轻

　　现阶段VR设备基本都是头带式，所以需要重量轻、折射率高、密度小。

　　6.价格优势

　　出于对于成本的控制，价格具备优势的镜片更利于大批量生产，同时还要考虑元件用料，以及镜片的成品率等问题。

　　7.可加工性能好

　　镜片作为VR设备的中间元件，在设备制造过程中还需要进行加工。需要镜片公差松、中间边缘厚度比较小、镜片制成材料热稳定性好。

　　

　　8.使用人群广

　　针对用户千姿百态的眼睛，甚至眼镜，产品设计出来都要使用舒适且便捷，就需要做到瞳距可调、近视可调、能戴眼镜（出瞳距大）。

　　最后产品能呈现出来，就是设计者和制造者尽可能符合上面各个标准的折中方案。

　　两种常见的VR镜头方案

　　在认识到上面说的基本指标基础上，黄博士向我们简单介绍了目前VR设备常见的两种设计方案。

　　双镜片方案

　　

　　这种方案采用的是两片非球面光学镜片，实现的视场角较大，可以达到108°。特点则表现在以下三个地方：

　　1.正常视力到800度近视人群均可使用（无需佩戴眼镜），独立调节。

　　2.可完全消除镜片色散，不需软件反色散校正。

　　3.采用双非球面镜片组结构，清晰度高，畸变小。

　　双面菲涅尔镜片方案

　　

　　上面动图对于菲涅尔透镜的原理讲解的不能更明白了。这种透镜又称为螺纹透镜，长得就像下面的样子。当然，下图其实是HTC VIVE采用的镜头。

　　

　　这种方案焦距为32mm，视场角更大一点，可以达到110°，厚度仅为10mm。厚度薄、重量轻、材质选择范围大都是这种方案的优点。不过其设计难度较大，制造也比较困难，同时精度也要求更高。

　　而未来VR镜片的发展方向主要会在元器件性能、光学设计方案、成像基本原理以及镜片材质方面寻求突破。

　　

　　供应链江湖门道多

　　当然，除了VR设备对镜片的品质需求外，黄博士还对供应链上的镜头品质做了介绍。

　　从材质上看，VR设备不会采用玻璃镜头，而是使用较轻的塑料镜头，最常用的材质是有机玻璃，我们常说的亚克力或者PMMA指的都是它。折射率较高、性能较好的很多镜片，其实是日本化工方向的大厂将粉末状的工业原料销往国内，再由国内镜片厂商重新制造而成。

　　据黄博士介绍，VR镜头相关的供应链厂商有大立光、索尼等等，国内镜头做的最好的是余姚的舜宇光学，而深圳做镜片的厂商则更多，国内众多VR厂商也大多使用深圳的镜片。根据智东西此前的了解，Oculus Rift CV1 光学镜头采用的就是菲涅尔镜片方案，镜片供应商为歌尔股份，他们同时也是Oculus Rift CV1和PS VR的代工方。

　　

　　（上图为Oculus Rift CV1 镜头）

　　除了主机类型VR设备外，一体机类型产品相比之下，采用的镜头则在品控上较主机类三大头显有一定差距，主要是由于这一类自带屏幕的VR设备与内部镜片匹配度不同，导致了前文说的各参数产生了不同程度上的差异。所以我们也可想而知，据称使用“成本仅在1块钱，最多不超过3块钱”的廉价镜头制成的移动VR产品，手机屏幕和镜片匹配度的问题无法解决，屏幕的帧率和分辨率也要做出一定的妥协，影响体验也就在所难免了。

　　不必担心VR太近伤眼睛

　　这里黄博士顺便向我们科普了一下VR总是带着不太舒服这方面的种种问题。

　　基本上，刚刚我们提到的镜头和光学设计品质带来的影响就是：做得好你就感受不到，做得差你就“辣眼睛”了。帧率和分辨率也要比较给力的设备才会让你玩着不晕。但是设备太重也总是“压得人抬不起头”。最关键的是，除了玩游戏，我们大概很难以沉浸的方式观影太久，尽管通过计算法可以改善眼镜过度接受信息的情况，但是看久了你还是会累。至于距离太近伤眼睛这种问题，则不必担心。

　　你如果像上图的熊孩子这么看，那当然是在作妖。而VR屏幕尽管距离近，但镜头存在的作用就是将成像调节为人眼舒适的距离，身临其境和“屏幕糊一脸”那不是一回事。

　　结语

　　VR技术最终能够以产品的形式呈现在我们眼前，除了光学设计，还需要算法进行配合。无论是自行进行底层算法的开发，还是使用英伟达、高通等大厂开放的SDK?都是影响我们最终体验的重要环节。算法方面虽有大厂领跑，但光学元件却没有行业标准，各类镜片质量良莠不齐，也无法做到通用。

　　同时，这一领域较为专门，业内人才也比较稀缺，华为这样体量并注重研发的大型企业可能会有相应的技术储备，创业公司主要还是在供应链的基础上进行“积木式创新”。尽管在VR方面我们对于光学设计的影响体会还不深，但在AR的层面上，无论是全息立体成像的HoloLens，还是主打光场技术的Magic Leap，都是以创新性的光学设计为先导，以强大的计算性能和算法为支撑，才最终诞生了颠覆想象力的新设备。（所以AR其实不是拿手机抓小精灵这么简单哦！）

　　作者简介：映墨科技光学设计师黄治，毕业于浙江大学，是光学工程博士。曾任华为多媒体研究院工程师。