1.FOV
VR眼镜的两个镜片可以看成两个完全相同的放大镜,如下图中光路剖面图所示,人眼处于左侧实线与光轴的焦点处,中间的为双凸镜片,右侧为屏幕,由于镜片有弯折光线的作用,人眼看到屏幕最上方x位置,而给人的感觉是沿着虚线从更高的位置进入人眼的,仿佛把屏幕放大到了x’的那么大,VR头盔强调的沉浸感,一方面取决于屏幕的大小,另一方面取决于镜片弯折光线的能力。因此,就引出了可视角(FOV)的概念,这也是广大VR厂商经常宣传的一个参数。
目前主要厂商宣称的FOV统计如下:
可以看出,大部分厂商的FOV都在100°左右,但有学者认为这个参数并没有非常大的实际价值。首先,不像内存或硬盘的大小,FOV没有一个可以明确测量的方法,厂商是否会虚标用户无法确定;第二,人在观察不处于视野中心的目标时,更倾向于转头,而不是斜眼看。引用百度一张人眼视角的示意图可见,人眼水平最大视角甚至可以超过180度,而单眼舒适视角只有大约60度,在这个方位内人眼视力最敏感,超过了这个范围人会本能转头。所以大家不必太纠结于该参数的大小,而更应该关注60度中心区域内的图像的清晰程度,以及实际使用佩戴的感受。一般来说,镜片尺寸越大,人眼会越不容易注意到透镜边缘,沉浸感更好,用户可以较为直观的比较该参数,目前绝大多数VR头盔镜片的尺寸都在50mm左右。
2.清晰度
作为VR界的标杆,DK1在初期镜片边缘图像的清晰度常常被用户诟病,这正是由于光学设计中的轴外像差所致。离开中心区域稍远一些,其成像质量就大幅下降。这就好比我们使用质量一般的放大镜时会发现,边缘图像会变模糊,其原因在于受到轴外像差的影响。目前绝大多数公司的处理方法是将透镜前后两个面都做非球面设计,如下图所示,尽可能降低轴外像差,提高边缘图像的像质。
目前塑料镜片的压模工艺已经非常成熟,可以压制出光学质量非常高的塑料镜片,因此像DK2等都采用了双面非球面的设计,用户可以关注VR眼镜的镜片,如果采用了非球面设计,在清晰度上一般会远高于非球面。当然,仅仅有优秀的光学设计也是不够的,制造工艺业对镜片质量的稳定性也有很高的影响,因此,如果VR厂商能够寻求大的代工厂为其加工镜片,也是对产品质量的保证之一。
3.色差
现在绝大部分的VR眼镜在使用时,都会在边缘区域出现红绿蓝的色边,也就是色散现象,这在使用高折射率材料时很容易出现,就像是白光在经过棱镜后会被分成五颜六色的光线。在DK1中,该现象尤为明显。从光学设计的角度来说,需要两种或更多的材料才能消除色散,因此原理上来说单镜片(一种材料)是无法解决的,DK2为了解决该问题,在图像显示之前,先用软件做了一个相反的颜色补偿,如下图。
该方法仅仅是在软件层面做了修正,但会对图像清晰度造成一定影响,而且图像上的每一个像素都需要做一次反向色散的处理,增加了硬件负担,会降低图像的帧率。最好的方法是采用多组材料不同的镜片组成消色差镜组,用光学的方法消除色边。这在镜头设计中已非常成熟,如复消色差物镜(Apochromatic objective),能够完全消除图像的色差。
4.畸变
畸变用通俗的话来说就是图像扭曲变形,给人以中间凸出(桶形畸变)或是凹陷(负畸变),这也属于像差的一种,是由于入瞳(也就是人眼)处于光学系统中的前后位置不同造成的,对球面镜片来说,该像差是不可避免的,如下图左侧图所示,并且随着FOV的增大,边缘图像畸变会更加明显。为了解决该问题,目前常见的方法是采用非球面的设计,如下图右所示,它可以大大降低图像的畸变,而且还能大大减轻镜的重量,这也是目前高度数眼镜片不再如瓶底那么厚的原因。
5.近视调整
目前中国的近视发生率,在高中以上的人口中高达70%以上,而VR眼镜的使用人群都集中在高学历人群中,他们在使用时如果不佩戴眼镜,往往看不清屏幕上的文字,更谈不上体验所谓的沉浸感了,因此会降低VR设备的普及度。
目前国内的VR眼镜都声称不影响400度甚至更高的近视。Oculus解决该问题的方法是配了3组不同度数的镜片,从光学原理上相当于有配了三组不同视力的眼镜片,而国内的VR眼镜大都只有一组镜片,往往采用两个方法解决近视问题:一种是佩戴眼镜,然后再戴VR眼镜,这种方法确实解决了近视问题,但沉浸感大大削弱,因为人眼不能凑近镜片,而且同时戴两副眼镜的方案也非常笨拙。另一种是不戴眼镜,而是将屏幕或是手机靠近镜片,这相当于近视者凑近屏幕看屏幕上的东西,这也会降低沉浸感,因为屏幕边缘的图像相当于被移出了画面,近视者只能看见中间部分的图像,外侧的被裁掉了,该方法的另一个缺陷是近视者更容易看到像素,出现DK1中所谓的纱窗效应,此外,如果使用者左右眼近视度数不同,该方法也无法解决。
其实在很多单反相机中,就有好的解决方案,单反的目镜边上有一个称为屈光度调节的旋钮,通过转动该旋钮,在一定范围内的近视使用者也能看清取景器里的图像,而无需佩戴眼镜。其原理如下图所示,取景器内部由多个独立的镜片组成,旋转旋钮相当于调节某两个镜片之间的距离,从而达到改变进入人眼中光线发散或会聚程度的作用,它可以等效于一个变焦镜头。而这类型镜头的设计方法已有近百年的历史,是相当成熟的,如果VR眼镜的镜片也由一片以上的镜片构成,则经过设计也可以达到调节屈光度的效果,用户不需要佩戴眼镜也可使用。