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南昌飞远:什么是双晶光学设计,又有什么优点和缺点

时间:2019-07-04 00:48:16 映维网

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双晶光学元件的制造成本大约是单晶光学元件的两倍

更新:2019年5月发布的Valve Index 头显采用了双晶光学设计

映维网 2015年02月04日)OSVR项目最初于CES 2015大会宣布,其包括开源的HDK头显,以及旨在支持一系列头显,外设和游戏引擎的SDK,并允许开发者社区自由修改和重新分销。与雷蛇一同领衔OSVR计划的Sensics对HDK头显的开发扮演了重要的角色。日前,Sensics首席执行官犹瓦·博格尔(Yuval Boger)与RoadtoVR一同撰文介绍了这款设备与大多数VR消费者头显的不同之处:双晶(Dual-Element)光学组件。下面是映维网的具体整理:

当OSVR HDK于上月亮相时,设备受到大量好评的一点是光学元件:边缘清晰,无需预先扭曲。由于OSVR是一个开源项目,而且HDK将提供完整的制造文档下载,所以如果你有兴趣,我会向你介绍Sensics是如何设计头显的光学元件。

这有何紧要呢?下面请看看这个对比图:

用iPhone 4拍摄的测试图:左边是双晶光学设计;右边是单晶光学设计

我们在几个月前拿到了第一批HDK光学透镜,并拍摄了上面的图片。我在网上找到了一个测试图,并使用与HDK头显一样的5.5英寸显示器进行显示。然后我用iPhone 4拍摄了两张照片。左边是HDK的双晶光学设计,右边则是常见的单晶光学设计。我尝试为两种设计拍摄最佳的图片。这是一种科学的精确比较吗?可能不是,但它非常有说服力。

如你所见,左右两张照片的中心位置都十分清晰。但如果你留意图片边缘,双晶光学元件依然清晰可见,但单晶光学元件则模糊不清。请比较“Gmail”一词,左边图片相对清晰易读,而右边则相当模糊。

对于右边的图片,你同时可以发现颜色散开的情况。你可以开始看到红色,绿色和蓝色之间的分离。左侧图像的颜色保持不变。最后,如果你留意一下测试图的三根竖列(左图右半部分),你可以看到它们相当笔直,右图则显得蜿蜒不整。

简而言之,单晶设计会呈现模糊,色散和几何失真的图像,但双晶设计的问题则较少。HDK头显中的双晶设计是否完美呢?Sensics已经做到最好了吗?它是否就能优于所有其他的设计呢?当然不是。只能说它是一种好设计,扎实的工程努力。下面我们来看看令双晶设计由于单晶设计的地方。

当我们开始着手设计光学的时候,我们探究了具体的要求。我们的目标视场是多少?屏幕大小是多少?可以使用的材料是什么?重量可以是多少?成本方面的限制如何?我们希望能够达到的适眼距范围是多少?视窗(以最佳视点为中心,不会显著降低图像质量的眼睛可移动范围)是多少?我们是否允许非球面光学?光学元件的宽度和深度又如何?等等等等。

这是我们的约束条件,而所有设计都需要面临它们的挑战。但是,不同设计之间的约束有所不同,例如有些汽车是以里程作为重点考虑,其他则是以启动加速度为核心。所以,没有单个设计可以解决所有的光学问题。

通常来说,头显的光学元件都有一系列的约束条件。你一般不希望将玻璃作为原料,因为玻璃比塑料重。透镜直径和尺寸存在限制,因为你希望将其用于双目设置中。你不希望它们的成本太高,因为你正在瞄准特定的价位。当你把约束条件交给设计师时,设计项目就可以马上开始。

光学透镜有两面。两面的精确曲率可以不同。两个透镜则意味着四个表面,而五个镜头则是十个表面。更多的表面意味着更多的自由度,更多的自由度意味着你可以满足更多的约束条件。所以,光学元件越多通常意味着可以产生更好的图像。对于OSVR头显,更好意味着更清晰,更少失真,更少色差。

这几乎就像是曲线拟合:你可以尝试将多项式(如y = a + b * x + c * x ^ 2 + d * x ^ 3 + …)拟合到(x,y)点的集合??梢允褂玫牟问蕉?,拟合度就越好。如果曲线只是“y = a”,事情就会变得棘手。如果可以使用“y = a + b * x”,拟合度就会更好。如果是“y = a + b * x + c * x ^ 2”,拟合度则又会提升一个台阶。

我们认为单晶光学设计难以很好地满足我们的约束条件,所以我们决定采用双晶光学,从而为我们的设计师提供更多的灵活度。

对于上图,屏幕位于右边,眼睛瞳孔则在左边。两个透镜在中间:直径是32毫米的透镜靠近眼睛,直径是43毫米的另一透镜则靠近屏幕。请留意右侧透镜的左表面轮廓。这样设计是为了优化图像质量。

下面是3D示例图:

两个透镜均由光学级别的塑料制成。较小的透镜采用了名为Zeonex F52R的材料,较大的透镜则是聚苯乙烯。市场存在数百种类型的光学级别玻璃,光学级别的塑料则数量稀少。但塑料更轻,有时成本更低。

为什么其他厂商不尝试双晶设计呢?因为其他厂商可能着眼于不同的约束条件。例如,双晶光学元件的制造成本大约是单晶光学元件的两倍。双晶光学元件比单晶光学元件更重?;谒Ч庋г哪烤悼梢愿玫乜刂蒲丈图负问д?,但你可以通过GPU来校正颜色和几何失真(但我不确定你可以通过GPU来校正模糊度)。所以对于OSVR HDK的设计,我们有我们自己的专注点,所以我们选择了双晶设计。

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编辑:大米
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