VR技術因其在娛樂、教育、培訓、美術、社交等方面的巨大潛在應用而備受關註，但是為什麼至今還沒成為主流，為何日常生活中長期使用VR的用戶還是很少？^{[1]然而自 VR眼鏡早期推出以來，這種采用單個浮動透鏡的光學設計一直沒有發生太大的變化。}

在許多其他 VR 技術，如實時跟蹤和渲染等顯示出快速增長的同時，光學系統設計的發展卻一直停滯不前。光學設計發展緩慢，一直是VR爆發式擴張的瓶頸。

1.人眼工作原理

在瞭解VR頭顯的鏡頭是如何工作的之前，我們首先需要瞭解我們的眼睛是如何工作的。

下圖是我們的人眼構造圖：

人眼的晶狀體相當於一個可自動調節焦點的凸透鏡，改變入射光，使其聚焦在視網膜上。當我們看遠處的的物體，晶狀體是放松的，物體反射光線幾乎平行進入晶狀體。

遠處視物

當蒼蠅這樣的物體向你靠近時，為瞭保持對焦狀態，晶狀體凸度增大，使物體能夠成像到視網膜上。

c0e37723654784f6e231d0198fa13f47聚焦范圍內活動的蒼蠅

但如果蒼蠅離得太近，超出瞭晶狀體的最大調節限度，我們就會失去焦點。

人眼很難看到距離我們7cm以內的物體，VR頭顯一般離人眼3cm~7cm之間，這就是為什麼VR頭顯需要使用特殊鏡頭的原因，由於重新矯正光線，使我們人眼能夠聚焦。

VR光學設計方案

2.1傳統VR光學技術

最初一代的商業化VR設備都采用瞭傳統的VR光學系統，每個眼睛對應一個單透鏡，視場角FOV與頭顯尺寸之間存在權衡關系，熱門產品通常具有 90° 到 110° 的雙目 FOV，頭顯厚度約為 5 厘米、頭顯寬度約為 15 厘米。也有VR頭顯雙目 FOV 能達到 180° 到 210°，但頭顯的尺寸相對較大且笨重，厚度約為 10 厘米，寬度約為 30 厘米。

傳統的 VR 光學器件普通單透鏡

2.2 菲涅耳透鏡

菲涅耳透鏡由法國物理學傢奧古斯丁·菲涅耳所發明的一種透鏡。此設計原來被應用於燈塔，這個設計可以建造更大孔徑的透鏡，其特點是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小。和早期的透鏡相比，菲涅耳透鏡更薄，因此可以傳遞更多的光，使得燈塔即使距離相當遠仍可看見。

為提升頭顯視場角降低頭顯重量與厚度，絕大多數VR頭顯制造商采用菲涅爾透鏡作為超短焦鏡頭設計方案。

菲涅耳透鏡（螺紋透鏡）

下圖是菲涅耳透鏡原理GIF圖：

傳統單透鏡VS菲涅爾透鏡161e70ae224ed4d25030a256bd291e43

2.3 偏振的光學折疊技術

2020年，Meta Reality Labs 提出瞭一款VR眼鏡概念機型，它的設計與當今市場上的大多數其他 VR 設備完全不同。這款概念VR眼鏡就像一款普通的太陽鏡。很多人認為這就是一款AR眼鏡，但是Meta堅持這是一款 VR 眼鏡。如下圖所示，我們可以發現它的鏡片非常薄，厚度不到 9 毫米，Meta聲稱它們的視野“可與當今的消費級 VR 產品相媲美”。這是一個自上而下的視圖：

圖片來源：Facebook

這款概念驗證眼鏡不僅看起來很薄，它的光學原理也與市場上傳統的VR眼鏡完全不同。Meta研究團隊稱其為為“全息光學”技術。

左圖是傳統的VR頭顯采用的光學元件，簡單的折射透鏡；右圖是基於偏振的光學折疊技術，幫助減少實際顯示器和聚焦圖像的鏡頭之間的距離。通過基於偏振的光學折疊，可以控制光線在鏡頭內前後移動，這樣這個空白空間就可以多次穿越，將原始所需要的空間折疊成一小部分。

目前這款眼鏡仍是概念機型，仍處於研究階段，尚未上市。但這項研究讓我們看到瞭未來VR/AR一體機實現的可能性。

3. AR主流光學設計方案

首先我們先瞭解一下AR眼鏡能夠使如何顯示的？我們希望AR眼鏡能有科幻電影中的效果，輕薄易交互，至於怎麼實現的，我們不管。

那麼，AR眼鏡和VR眼鏡的光學技術為何不同，有何不同？

讓我們先看看幾種顯示技術：LCD/LED; 半透明屏幕和VR眼鏡凸透鏡。

AR眼鏡可以采用LCD, LED屏幕技術嗎？ 不行。因為他們無法透明。

那麼用透明電視的半透明屏幕？ 不行，因為人眼最近的對焦距離在6.5cm左右。

那像VR眼鏡一樣通過凸透鏡改變光路可以嗎？不行，因為現實中的物體也會被一起變形。

那麼，問題來瞭，那種技術既能做到有顯示區域讓眼鏡對焦看清，無顯示區域又能完全透明？

答案是投影。在眼睛內部生成圖像然後通過反復折射延長光路投射到視網膜上。而VR眼鏡的真正難題在於如何把投影做小。

這裡就要提到開創微型投影技術研發的Microvision，Microvision投影方案是有三色激光器發出激光，通過棱鏡匯合後射向兩個微鏡，其中快鏡控制橫向掃描，慢鏡控制縱向移動，從而一行行把畫面掃出來。此方案體積小，發熱低，隻需增加鏡子的轉動角度，就可以任意控制投放比；AR眼鏡的顯示難題由此迎刃而解。

好瞭，接下來是主流AR眼鏡的光學技術方案：

3.1 Birdbath方案

工作原理：Birdbath光學設計把來自顯示源的光線（上圖中的藍線）投射至45度角的分光鏡（垂直於前額的黑色矩形）。分光鏡具有反射和透射值（R / T），允許光線以R的百分比進行部分反射，而其餘部分則以T值傳輸。同時具有R/T允許用戶同時看到現實世界的物理對象，以及由顯示器生成的數字影像。從分光鏡反射回來的光線彈到合成器上。這是一個凹面鏡，可以把光線重新導向眼睛（上圖中的虛線）。

采用這種光學設計的主要頭顯包括：聯想Mirage AR頭顯與ODG R8和R9。

Mirage AR頭顯

3.2 曲面反射鏡（Bug-Eye 蟲眼）

蟲眼光學設計

工作原理：蟲眼頭顯采用瞭相對簡單的光學設計。它搭載瞭低成本的LCD顯示源，以及帶反射/透射（R/T）值的曲面反射鏡。顯示器發出的光線直接射至凹面鏡/合成器，並且反射回眼內。顯示源的理想位置居中，並與鏡面平行。從技術上講，理想位置是令顯示源覆蓋用戶的眼睛，所以大多數設計都將顯示器移至“軸外”，設置在額頭上方。凹面鏡上的離軸顯示器存在畸變，需要在軟件/顯示器端進行修正。

采用這種光學設計的頭顯主要包括：Mira Prism，Meta 2，Leap Motion ，Dream World。

3.3光波導（反射/衍射波導）

光波導原理

工作原理：波導代表瞭光學技術的一種新形式，在形狀尺寸，清晰度和重影方面提供瞭顯著的優勢，但技術仍然處於開發階段。顯示源通常使用LCOS(矽基液晶）或DLP顯示器。LCOS和DLP都通過衍射光柵發射準直光線。該衍射光柵可以重新導向光線，並最終形成擴大的圖像，然後再將其投射到眼內。

雖然波導顯示器和高分辨率AR體驗令人興奮，但它們的制造成本非常高昂，而且存在明顯的廢品率。預計波導價格將隨著制造工藝的發展而降低，但它們目前仍是高端頭顯的成本大頭。波導頭顯的零售價在3000美元至5000美元之間。

采用波導的頭顯主要包括：微軟HoloLens，Maigc Leap One，DAQRI。

00b703ac67a99eb880872e1e4a5a64f6Microsoft Hololens

4. AR/VR涉及的光學技術一覽

▲應用於 AR/VR 的一些新興光學技術示意圖

左邊說明瞭光學元件和光刻技術為基礎的平板設備，右邊顯示瞭虛擬現實和增強現實架構所應用新興技術。

HOE: 全息光學元件

LCHOE:全息光學元件 PPHOE: Photopolymer HOE.光致聚合全息光學元件

Lithography: 光刻

SRG:表面浮雕光柵 Metasurface: 光學超表面

Planar eyepiece: 平面目鏡

Achromatic metalens: 消色差透鏡

Pancake optics: 餅幹鏡 (超薄超輕)

LCHOE:液晶全息光學元件；

VAC: 輻輳調節沖突 LCHOE Varifocal lens: 液晶全息光學元件變焦透鏡

Pupil steering: 瞳孔轉向；

Pupil duplication:瞳孔復制

Pin-grating: 針形光柵

off-axis lens array: 離軸透鏡陣列 Diffractive waveguide:衍射波導

Achromatic waveguide: 消色差波導

Achromatic metagrating: 消色差光柵

以上就是涉及VR/AR的主要光學技術，絕大部分的內容來源於一些英文科普文章，加上一點自己的理解歸納而成。筆者隻是XR行業的愛好者，非專業出身，如有錯誤，非常期待向各位專業大佬學習！

參考

1. ^D. Karl, K. Soderquest, M. Farhi, A. Grant, DP Krohn, B. Murphy, J. Schneiderman, and B. Straughan. Augmented and Virtual Reality Survey Report 2019