“从头盔到眼镜，超短焦光学怎么成为VR产品进化路上的“瘦身良药”？”

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如果说vr头比是胖子，vr眼镜就是前者完成各项健美计划后的样子。 就像人人都爱帅哥和美女一样，瘦身成功的vr眼镜以苗条的姿态吸引了许多vr爱好者的目光。 所谓vr产品的健美计划，实际上是指vr头显从以前开始在光学上落地超短焦光学并普及的过程。

去年4月，深圳vr设备制造商3glasses发布了首款vr眼镜产品x1，预示着短焦vr光学将正式进入支出级市场； 同年9月，oculus在connect 6开发者大会上发布了half dome 3原型机，在短焦距光学变焦显示技术上取得了优异的成果，为未来在小型vr设备上的落地铺平了道路； 华为、微微紧随其后，还分别发布了自家的vr眼镜产品。

可见，vr显示器的车身规划已经是第一次成果。 但是，这是超短焦光学方案的最终形态吗？ 是说vr眼镜一定会代替vr耳机成为新的主流吗？ 让我们从短焦点光学原理开始。 让我们逐一解决这些问题吧。

超短焦光学方案、vr设备的瘦身良药

年，国内最早推出超短焦方案vr产品。 当时，国内制造商多恩·多恩发售了首款vr眼镜。 正面酷似飞行眼罩，重量只有78克。 对于当时手机壳横行的vr市场来说，这个产品真的就在眼前，但终究等不到量产上市的那一天。

从最初出头到现在，短焦光学发展迅速已经四年了。 在此期间，fov从小到大有自由曲面和基于反射偏振光的弯曲光路( pancake )两种方案，这在vr产品的设计中很常见。

1、落地点: pancake

按量产可能性来分，反射偏光的折射光路( pancake )排名第一。

pancake可以分为两张式和多张式两种折回方案，目前市场上常见的两张式较多。 其生产工艺要求简单，价格控制和成像效果得到保障。 这也是因为这是现在很多vr眼镜中使用的短焦光学方案。

已知，由于vr头成像由凸透镜组形成图像，因此一般需要保持屏幕与人眼3cm左右的间隔，从而增加设备的厚度。 在基于pancake技术方案的vr眼镜中，图像源进入半透半反镜功能的透镜后，光在透镜、相位差板和反射型偏振片之间多次折返，最终从反射型偏振片射出。 通过这样的光学方案，可以大幅缩小产品的体积。

pancake原理

pancake方案的核心是，增加半透半反镜功能的透镜后，会在折叠过程中引起重影的负面产物，直接影响图像质量，但偏振膜(偏振片)的采用可以消除这些负面影响。

影创会长孙立告诉vr陀螺仪，lcd屏幕带有偏光，只要在镜头上涂上偏光膜，第一次折返时就会尽量全反，第二次光线射入时偏光状态就会发生变化。 由于该透射效率变高，反射效率变低，看不到明显的重影。 如果是oled屏幕，从一开始就通过偏振膜(偏振片)，在这个过程中亮度会下降一半左右。

单张式(通常指5到6张)的折回方案是利用比普通微显示器小的硅基微显示器和越来越多的镜头堆栈来设计光路。 由于与两片折回方式相比结构紧凑，因此这种vr眼镜的体积越来越小。 但是，在多片折回方案中光学镜头越多，组装和涂层的难度也越大。

微微产品负责人表示，影响庞克光学质量的有射出精度、杂散光、光轴对焦的调焦、脏污等问题。 因此，共轴自由曲面是更有效的改善方案，由于是反射型系统，失真和色差的影响不是很大，所以设计时考虑的权重不大。

，搜索:自由曲面

顾名思义，这种透镜是为特定光路模块设计的非常规则的透镜形状的透镜。 理论上，自由曲面的镜片可以消除各种色散、畸变，但实际上加工这种镜片的工艺非常困难，因此实际上vr眼镜采用的价格更高，条件也更苛刻。

由于镜头形状随机，加工中会遇到更奇怪的变形和不可测量的因素。 一般来说，共轴自由曲面光学通过5轴或10轴拟合普通的面型，因此实际加工的结果也只能是拟合面型，无法100%还原。

mr一体型r-1的四重反射折射自由曲面棱镜

孙立表示，将自由曲面技术应用于vr设备难度太大，加工时将引入不可控的应变。 如果你设定的应变值只有2%，实际上最后会是4%，不规则。 与普通镜头的筒状畸变不同，后者可以用标准算法进行校准，而自由曲面畸变只能进行单一校准。

当然，轴外自由曲面的方案在画质( vr眼镜的非常重要的参数，后述) )的表现上不亚于堆栈方案，有越来越多的调教手段。 quest在应变调教方面做得非常极致。 只有将所有的变形控制在1%以下，才能获得临场感。 这种微妙的差异在双6dof体验中变得容易注意到。

现在，离轴自由曲面越来越多地用于mr头的设计方案中。

另一方面，mr头多以高端路线为中心，其价格可以支撑光学方案的落地； 另外，离轴自由曲面方案受工艺难度的影响，一般fov较小。 虽然有企业已经根据该方案设计了vr眼镜，但不具备落地的条件。

3、未来:复眼光学(总称)

除了上述两种常用的短焦距光学方案外，两种光学方案目前还广泛应用于ar/mr眼镜的研制衍射光波导和几何光学微透镜阵列，它们采用的是复眼摄影的原理。

虽然目前两种方案在技术和批量生产问题上尚未得到处理，但孙立认为复眼原理两种光学技术现阶段还不能满足vr眼镜的所有诉求，但将是未来vr/ar光学的整体快速发展方向。 因为这些技术可以实现瞳孔放大。

简单地说，不是放大光瞳的情况是指，佩戴vr头时，清晰的图像大多只集中在最中心的视点上，如果眼睛位置发生变化，画面会变得非常模糊。 可以想象，如果将来我们佩戴的vr眼镜基于衍射光波导和几何光学微透镜阵列，那么我们的眼睛无论在哪个位置注视画面都将同样失真清晰。

小型显示器带来的课题

vr眼镜变小的本质原因还是采用了微型显示器。 包括上面介绍的三个主要超短焦显示器方案，它们都毫无例外地基于微显示器进行了成像。

无论如何，超短焦距光学采用的屏幕都不同于以前流传的显示器。 通常情况下，显示器最大也只有1.8英寸，而较小的micro oled屏幕小于1英寸。

也就是说，短焦距光学方式一方面实现了体积的削减，另一方面，使这款小于1英寸的显示器成为非常清晰的超大型屏幕是更重要的任务，此时，就不得不提到画质。

孙立表示，短焦距光学设计的首要要求是画质( mtf )优先。 在mtf参数曲线中，包含非常多例如图像自身的极限分辨率的设定，对于光学系统，有时极限分辨率只有几百ppi。 由于微型显示器的像素密度很高，因此降低mtf可以显示120度或90度的fov图像，但分辨率不能与画面相同。 会浪费分辨率。

光是pancake方案，以采用更小的硅基oled屏幕为目的的镜头折回越来越多。 1英寸以内的屏幕不能采用2个镜头的光学模块进行显示。 原理上，需要用光学系统放大1英寸的屏幕本身的口径，然后通过折回的光路传播到眼镜中。

使用多透镜的泛光灯方式可以使其结构更紧凑，因此整体的vr眼镜体积会更小，但光路的多少和复杂直接导致光模块加工技术难度的上升，因此目前量产的产品还没有上市。

孙立表示，目前量产的vr眼镜的ppi水平是华为的vr玻璃一样的1600x1600的微型lcd屏幕。 但是，以前的视涯发表了micro oled的方案，其ppi可以从2000做到3000左右，分辨率可以做到单眼2560x2560，比前者更清晰。 但是，由于目前价格和组装难度相对较高，尚未见到这种方案的眼镜批量生产。

如果只讨论micro oled的方案，现在屏幕本身可以把ppi从3000提高到4000以上，所以在画面的表现上可以得到更细腻、没有纱窗效果的画质效果。 皮科产品负责人表示，体积小、重量轻，是vr设备永恒的主题。 产业链还在不断成熟，特别是价格高，影响了价格。 将fov再增加到100度以上越来越困难。

vr眼镜的普及还需要等待

从vr玻璃杯的供应链生态系统的角度来看，整体供给量还很低迷。 目前，除京东方常规微显示器整体价格略有下降外，微OLED屏幕还处于高批量生产价格阶段。

孙立认为，现阶段vr眼镜的快速发展还为时过早，从技术方面看，目前提供短焦相关处理方案的呼叫、舜宇等oem厂商都具备生产潘凯克光学方案的能力。 但是，大制造商的推动对新兴科技的普及尤为重要，我们看到华为在布局超短焦vr眼镜的道路上迈出了第一步。

(苹果vr眼镜互联网概念图)

另一方面，孙立认为除了vr眼镜的光学模块部分外，双6dof体验将成为vr眼镜的标准装备。 他说，将双6dof制成小型的vr眼镜并不难，无论是外置(类似华为vr眼镜)还是内置(类似现在常见的ar眼镜)都可以实现。 但是，截至目前，国内没有6dof技术真正与quest相差无几的产品，也有文案生态方面的缺失，成为vr眼镜普及的最大障碍。

孙立表示，未来3到5年，真正意义上的超短焦vr眼镜有望落地。 虽然和去年很像，但是之前以小型为卖点的vr眼镜的噱头可能不会来。 但是，一个产品是否受欢迎，其重要指标之一是活跃度，客户买了产品后，如果只是在家里积灰，对该产品的普及有多大帮助呢？