VR光学设计的关键参数

原文英文链接.翻译中有一些个人添加的辅助信息,以括号标识,”注:”开头,以粗体表示,例如(注:以下为个人翻译,水平有限,欢迎指正).
在Sensics里,这些年我们完成了多款VR的光学设计,这些天我们在设计新的光学来适应新的显示和新的需求.对于那些考虑光学的人们,这里提供了VR光学设计里需要考虑的关键参数.
File of View:FOV(file of view)通常以度来衡量.FOV定义了在水平、垂直和对角线方向上的可视范围.它通常用来描述单眼的FOV,但有时也用来表示双眼的FOV和双目重叠区域的大小.
Eye relief:测量单位一般为毫米,eye relief表示眼睛与最近的光学单元,如下图所示:

通常眼镜和眼睛之间的eye relief为12mm.
大eye relief的优点:

• 如果光学离眼睛太近,当眼睫毛碰到光学结构就会产生不舒服(这算哪门子好处???).
• 如果eye relief值足够大,可以让近视的人带着眼睛体验VR,而不需要提供调焦的装置来适应近视的人.

大eye relief的缺点:

• 光学系统的总深度(从眼睛到屏幕的距离)变大.变得不好携带和穿戴.
• 到第一个光学单元的最小径向距离是由所需的FOV和eve relief所决定的,更大的eye relief需要镜片尺寸更大,看起来会更笨重一些.

Eye box:通常以毫米为单位.eye box的大小决定眼睛可以在最佳位置的地方向上/向下/向左/向右移动而不影响图像显示质量的距离.有些光学系统,如步枪瞄准系统中eye box的值区间很窄,因为它希望强制让你的眼睛在最佳的位置上.其他光学系统,如将HMD运用到士兵训练当中的情况,则需要较大的eye box的值,以便于让训练者戴着HMD运动的情况下也能够看清图像.如果眼睛处于最佳的位置上,俺么图像的质量总是最好的,但如果eye box值太小,那么用户要获得清晰的图像,就需要繁琐的调整(eye box很窄时,你必须让你的眼睛调整到最佳位置才能有好的显示效果).

例如,下图显示的光学设计的模拟结果,左图中眼睛的位置处于最佳位置看到的图像,右图是偏离最佳位置4mm的位置所看到的图像(很容易看到右图的边缘不清晰~):

镜片的材质和类型:透镜通常由光学级塑料或玻璃材料组成.目前有数百个不同的光学级玻璃的类型,但是只有一些光学级塑料材料.不同的材料提供不同的光学弯曲特性(如折射率).因此目前常见的复合光学系统由多种材料组成.玻璃通常更重,模具也更加昂贵,但有更多的种类,提供更好的表面显示特性,物理硬度较高(例如耐划痕).塑料更加的便宜和轻便.另外还有其他的镜片类型和非线性光学元件,如菲尼尔透镜和偏振片也是可以使用的.
畸变:光学畸变是光学设计中的一个缺陷.畸变是本身是直线的图像,通过透镜看到的是弯曲的线,如下图所示:

畸变一般以百分比为单位.如果一个像素被放置在距离100个像素点的位置(这个单位可以是毫米,英尺,或度数),而看上去(透过镜片)却是距离为110,那么它的畸变就是10%((110-100)/100 = 10%).在光学设计过程中,通常在设计迭代过程中需要研究这些畸变图.如下96度(2X48)FOV的畸变图:

如上图所示,在原理中心30度的地方,畸变只有2~3%,但是到达距离中心40度地方的时候,畸变值增加了8%.将畸变显示在下面的畸变网格中.如果光学设计是完美的,没有产生畸变的,那么每个蓝色的十字将完美的落在网格的交点上.

有时,畸变是单调的(数学),意味向边缘移动时,畸变逐渐增大.如果没有做相应的畸变,就会出现一个像”气泡”的现象.
色差:就像白光穿过棱镜时,会射出各种不同的颜色,光学系统在不同波长/颜色下可能会有不同的现象.这可能导致颜色离散的现象.需要去研究光学系统的”颜色校正”参数,以便减少颜色的离散现象.下面的图像显示了一个在中心部分漂亮的图片,但是图片在边缘地方发生了离散现象.

相对亮度:光学系统对光的聚集会对图片显示效果产生影响.通过光学系统观察均匀照明的表面(亮度相同的表面).通常情况下,在中心的光的亮度是最高的,然后越往边缘亮度越低,量化后如下图所示.虽然人眼有很强的适应范围,但是这种情况会导致图像或黑或量的光圈.(离中心距离相同的地方亮度一样,所以会形成圈!).

斑点尺寸:想象屏幕上有一个很小的点的图案.理想情况下,通过光学系统看到的所有点的尺寸是一样的并且没有被改变.而实际情况中,点的尺寸会随着与中心距离的增大而增大.通过光学看到不同位置的点的尺寸,如下图(官方的图也是模糊的…将就着看吧)所示:

其他特点:根据自己的情况,往往有尺寸,重量以及费用限制,需要考虑能够选择的方案就不多了.就像一个高次多项式的解可以是多组解,多种条件提供了更大的自由度.通过增加更多的镜片来获取所需的光学参数,但是额外的镜片通常更贵,尺寸更大,更重.
把它们整合起来:找到一辆有惊人的燃油效率,梦幻般的加速度,高达7个作为的便宜轿车是几乎不可能的.同样,设计一个没有畸变,拥有广阔的视野,大的eye box值,低成本,非常薄的光学系统是不可能的.在设计一个光学系统时,需要考虑哪些方面是最重要的,哪些是次要的.