为什么VR镜头是VR设备的重要组成部分？

在任何VR设备中，有两个很重要的部件：一个用来显示您将要看到的虚拟世界的屏幕，另一个是屏幕前面的一组镜头。那么，为什么VR镜头是VR设备的重要组成部分？它们又如何影响虚拟现实的体验效果？      

透镜

透镜的第一个系数称为折射率，它告诉你给定的材料可以让光发生多大的弯折。这种效果的产生是因为光线进入材料时会减慢速度，而且它的速度越慢，弯折的程度就越大。常见的例子包括对水的折射、塑料和玻璃的折射、以及空气（空气中折射率较低）。  

  光的折射取决于： 1、材料的折射率和透镜的形状； 2、光从进入透镜到离开透镜所花费的时间，或者更确切地说就是透镜有多厚； 3、光的波长(颜色)。   最后一个因素是透镜中存在我们不想要的色像差。棱镜，从上面的介绍中你可能直觉的认为这只是另一种类型的镜头。但是光线穿过棱镜，发生折射时，透镜将使不同的颜色彼此分离。这就称为色差。   还有其他一些东西需要关注。球面色像差导致图像的不同部分聚焦在不同的点上，这意味着如果希望图像的中心清晰锐利，边缘将逐渐模糊。眼睛/相机的中心我们可以自己选择，所以焦点所在的区域最清晰，而周围会逐渐模糊。  

最后，还有一个枕形失真的概念，当透镜试图校正以上两种色像差的时候常常会发现这种失真。这会导致直线网格的最终图像被拉伸或收缩。  

光学镜头和虚拟现实

当谈到镜头及其对VR画面的影响时，首先要考虑的是显示器的大小。VR头戴式耳机的显示屏越大，您的视野就越大，视野也就越宽。但是如果显示器太大，它可能太重和笨重。从这个角度来看，可能小一点的显示器比较好。  

  解决重量和尺寸问题的另一个方法是将屏幕更加靠近眼睛。这有两个优点。首先，您不需要更大的显示器来获得更宽的视野。第二，由于阿基米德和他的杠杆定律，显示器离你的脸越近，你的鼻子所需要施加的力就越小。可是，人眼不能舒适地聚焦在太近的物体上，这也限制了显示器的放置距离。  

现在常用的屏幕可以在对角线上延伸大约7英寸(18厘米)，甚至更短，这种屏幕将呈现相对较少的视野。结果是我们试图通过一个非常狭窄的视野来观察虚拟世界，就像你在现实世界中用东西遮挡了你的眼眶，你的视野会减小。   解决这些问题的方法是在你的脸和显示器之间放置一个透镜或一系列透镜。目的是弯折光线，给你一个更广阔的视野，这里使用的基本上是放大镜的镜头，比你可以用肉眼得到的。您甚至可以将屏幕移动到通常在现实中难以看到的位置（比如靠近眼睛的位置），使用这种镜头，观看起来会非常舒适。  

但是，当你引入透镜并试图把一个小的视场变成一个更宽的视场时，你就引入了与上述色像差相关的新问题。相机镜头解决这一问题的方法是使用一组复杂的镜头，这些镜头组合了它们的畸变，试图至少消除大部分的不和谐图像，并给你一张干净、没有任何像差变化的照片。不幸的是，所有这些镜头都增加了重量、长度和相当多的成本。  

目前，解决这一问题的方法是使用Fresnel透镜，这种透镜用于HTC Vive、Oculus Rift和其他VR设备。Fresnel透镜不是平滑的形状，而是相对较薄，并且具有一系列刻在其中的同心环结构，该同心环被设计成根据光线击中透镜的哪一部分而不同地弯曲光线。如果设计正确，这可以帮助克服仅使用单个透镜时遇到的色像差问题。因此，您不需要像使用相机那样装一大堆镜头。  

然而，这并不能解决所有问题。虽然Fresnel透镜提供了广阔的视野，但在单个透镜中没有太多的色差，所以它不能克服枕形失真的问题。对于现代VR屏幕技术，目前使用的解决方案是软件修改；您必须从镜头所产生失真的反方向来扭曲图像，从而在观看后产生类似于真正的图像。例如，如果要消除枕形失真，则必须使用枕形失真反向扭曲图像。  

现状和未来

因此，目前对透镜和VR屏幕的解决方案是现在看来比较好的。那么未来的解决方案是什么？具体有几个答案取决于这个未来的范围是什么，但最近的未来的一个答案好像不太能让人满意。   因为正如我们已经指出的一样，Fresnel透镜不能解决所有的问题。不仅需要反向变形图像，还要虚拟视图的中心的分辨率要高，这在现如今低分辨率的VR世界中是一个问题，而且Fresnel透镜本身不能产生完全聚焦的图像。这就是为什么照相机使用昂贵的一个个镜头而不是单个Fresnel透镜的原因；即使是今天的低分辨率VR头盔中的图像也会被它们使用的Fresnel透镜弄得更模糊。   不过幸运的是。各种不同的公司有不同的镜头设计，寻求解决这个问题。改进的VR Fresnel透镜的设计已经从Valve VR系列和其他产品中显现出来，所有这些产品都提供了更好的解决方法，来提供了更好的有效分辨率和更好的放大倍率，这使得头戴式耳机设计者能够将显示器越来越靠近佩戴者的眼睛。并且技术改进一定是从更小、更薄和更轻的透镜开始。    

  VR设备的实现方式是通过屏幕覆盖人眼所有视角，但因为屏幕离肉眼太近，成像容易产生畸变，这对于光学镜头技术来说是一个极大的挑战。波长光电持续推进技术迭代，提高成像品质，VR光学镜头项目将采取精密模具制造，通过自动化生产来提高产品精度。随着元宇宙热潮的来临，VR也迎来新的发展机遇。波长光电VR光学镜头项目也是公司抢抓“元宇宙”机遇，加快布局VR领域的一大重要举措。             

  三种不同的版本：Professional，Premium，Enterprise Zemax有三种不同的版本：Professional是专业版，包含序列光学系统设计、非序列光学系统设计、偏振光线追迹、物理光学分析；Premium是旗舰版，包含专业版的功能，适用于更高级专业用户，增加了ParkLink、AssemblyLink、光源模型库、高级光路分析以及闪电追迹等功能；Enterprise是企业版，包含旗舰版的所有功能，增加了star模块。 Zemax现在有订阅版模式，客户可以根据需要按时间进行付费使用。  
产品用途
Zemax的应用领域及范围
● 显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等
● 相机镜头、各种变焦镜头、手机摄像头、夜视系统设计等
● 各种LED二次配光透镜，色度分析及颜色混合优化等
● 车灯、LCD 背光板和LED等照明系统设计优化
● 光管、光纤连接器，有源及无源器件、光纤耦合
● DVD、VCD 激光读写头、干涉仪、全息光学
● LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计
● 物理光学BPM计算，偏振光学
● 激光光学系统，扩束镜，F-theta扫描镜，整形镜
● RCWA 微纳光栅设计（微结构、体全息）
● AR、VR光学设计，HUD设计  
技术性能
软件可以实现的主要功能
● 几何光学设计：成像镜头设计、成像质量分析、温度环境分析、加工公差分析等
● 物理光学设计：激光系统及元件的设计及分析，光学相干衍射特性分析、光纤耦合等
● 照明系统设计：照明系统的设计，光机设计，和3D模型软件动态链接，光源库等
● ZPL语言扩展：自带的编程语言可以实现功能的扩展
● 扩展功能：可以和C语言、C++、python等编程语言进行配合使用      

编辑：黄飞