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?)
色散 实验
(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。
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