什么是虚拟现实光学？

虚拟现实光学定义

虚拟现实（VR）光学系统由VR系统中的专用组件构成，这些组件旨在为用户创造身临其境的视觉体验。例如：

• 用于场景模拟的原始数据采集相机
• 手套和服装中使用光纤来发送和接收数据
• 能够产生3D视觉感知效果的头戴式显示器（HMD）
• 沉浸式和半沉浸式投影显示
• 用于追踪用户及其眼部动作的传感器。

目前，最受关注的虚拟现实光学设备是头戴式显示器（HMD），也称为近眼显示器。

虚拟现实要正常工作，头戴式显示器（HMD）中必须配备一个光学系统，该系统能将图像投射到用户眼前的显示屏上。

在此光学系统中，头戴式显示器（HMD）包含光源（显示屏）、接收器（眼睛）和光学元件（透镜）。

• 头戴式显示器（HMD）中的光源是微显示器，例如有机发光二极管（OLED）或液晶显示器（LCD）。双目头戴式显示器通常配备两个显示屏，为每只眼睛提供独立的图像，并通过立体成像产生3D视觉效果。在全息头戴式显示器中，光源是由空间光调制器（SLM）调制的相干光。
• 头显中的接收器就是用户的眼睛。
• 光学元件收集光源发出的光线，并生成三维虚拟世界的图像。一款理想的VR头显必须能够在宽广的视场角（FOV）内提供高分辨率图像，同时支持用于三维感知调节的视觉线索，并具备宽大的眼盒（出瞳）以及紧凑的外形设计[2]。

图1.VR头显的结构。来源：半导体。[3]

头戴式显示器（HMD）最重要的要求之一是具备良好的人体工学设计，这意味着头显在长时间佩戴和使用时应舒适。为了确保佩戴舒适，头显应结构紧凑且重量轻。理想情况下，其重量和体积不应超过一副眼镜。为了确保观看舒适，头显应根据用户的头部位置和注视点提供合适的视点。 此外，头显还应具备充足的眼部空间、足够大的瞳孔尺寸以支持自然的眼球运动、合适的瞳孔间距（IPD），以及较低的发散角和内收角。

头戴式显示器（HMD）的关键光学设计约束条件包括瞳孔（视场）尺寸、眼距、发散角、下倾发散角以及瞳距（IPD）（见图2）。

视野（FOV）很重要

VR头显的一个重要设计目标是匹配人眼视觉系统的成像特性。考虑到眼球转动和头部运动，人眼的视野（FOV）垂直方向约为120度，水平方向接近360度。双眼都能看到物体的双眼视野约为114度[5]。

图3.视野图。来源：https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality。[6]

设计中对像差的考量

像差对头戴式显示器（HMD）成像质量的影响与其他光学系统类似。轴向色差、球差、彗差、像散和场曲等像差会导致图像模糊；畸变、彗差和横向色差等像差则会引起图像变形。在虚拟现实（VR）头戴式显示器光学系统的设计中，像差控制至关重要。

头显设计中的其他因素

头显设计领域的最新进展充分利用了非球面、衍射光学元件（DOE）、全息光学元件（HOE）、可调焦透镜以及塑料光学元件等技术。

• 非球面设计有助于抑制镜头像差并减少镜片数量。
• DOE透镜具有有趣的色散特性，在正透镜中呈现负色散。
• HOE 体积小巧，且能像分束器一样工作。
• 可调焦镜片可以扩展景深范围。
• 塑料部件成本低且重量轻。

虽然可以通过这些进阶 来提升VR设备的视场范围和视野，但这往往会影响其外形设计。为缓解这一问题，新的发展方向包括集成眼动追踪功能的头戴式显示器（HMD）、多焦/变焦显示屏、遮挡式显示屏、全息显示屏以及光场显示屏。

光学设计软件是设计VR光学系统的重要工具。要设计出优质的VR光学系统，需要多种类型的软件：

• 光学工程师需要借助软件来创建和优化成像系统、分析光路中的杂散光，以及设计衍射光学元件。
• 这位机械工程师需要一套CAD软件来绘制系统布局图，并进行热分析与结构分析。
• 这位电气工程师可能需要一款软件来追踪眼球运动，并将信号传输至光学系统。

是德科技提供了一套完整的工具，用于模拟AR/VR设备。

以下是使用光学设计软件设计光学系统的流程：

• CODE V光学设计软件能够追踪光线在光学系统中的传播路径，优化系统以减少像差、降低畸变并提高分辨率。
• LightTools照明设计软件能够对照明、杂散光和重影进行建模。LightTools 还可以优化照明均匀性。杂散光可能会导致图像出现伪影和亮点。

衍射光栅将光耦合到波导板中，并将光从波导板耦合到人眼。您必须正确设计光栅，以确保光学系统能够生成优质的图像。您可以根据衍射角、效率等参数，按任意阶次或阶次的任意组合来设计和优化光栅。

要设计光栅，您可以使用是德科技（Keysight）的 RSoft 光子设计工具：

• DiffractMOD RCWA是一款非常高效的工具，可用于精确计算横向周期性器件的衍射特性。
• FullWAVE FDTD是另一种用于精确计算横向周期性器件衍射特性的强大工具。
• 在RSoft CAD 环境中， MOST优化功能为使用 FullWAVE 或 DiffractMOD 优化光栅提供了便捷的方法。

光栅构建完成后，您可以将双向散射分布函数（BSDF）信息和布局文件直接导出到 LightTools 中，以定义表面属性。RSoft 的 BSDF 文件包含有关表面（薄膜、图案等）如何散射光的信息，其中包括所有衍射特性。

在虚拟现实（VR）中，显示器只需输出模拟环境。而在增强现实（AR）中，显示器通常是透视式的，以便将模拟环境与真实环境相结合。

VR和AR的光学系统存在一些差异：

• 首先，增强现实（AR）需要高亮度显示屏，尤其是在户外和手术室等光线明亮的环境中。
• 其次，对于增强现实（AR）透视式头戴显示器（HMD），其视差应小于1至3角分。
• 最后，透视式头显通常采用折叠式设计，以实现宽广的视场角和紧凑的外形。透视式头显必须集成光学组合器，以将虚拟场景的反射光与现实物体透射的光线进行合成。在原型制作中，通常使用分光器作为组合器。由于霍夫曼透镜（HOEs）薄而平，且能针对特定波长发挥分光器的作用，因此可以缩小组合器的体积。

• 教育与培训：军事飞行模拟和战场实战训练、针对外科手术和紧急情况的医疗培训，以及患者教育均采用了虚拟现实技术，帮助人们体验操作流程并了解后续情况。虚拟现实技术还能通过再现课堂环境或历史场景来支持远程学习，并在博物馆中提供沉浸式体验。
• 工程：虚拟现实技术 有助于3D设计和虚拟原型制作，使工程师能够在进行实体开发之前对产品进行可视化呈现和优化。

• 社交互动与商业：虚拟现实（VR）技术 能够实现与同事或客户的虚拟互动，为在线购物提供展示空间，并为房产参观提供3D体验。
• 娱乐：虚拟现实（VR） 通过让用户沉浸在互动环境中，提升了游戏体验和旅游体验。
• 医疗康复与远程手术：虚拟现实技术 可应用于心理暴露疗法、阿尔茨海默病等疾病的康复治疗，以及远程手术操作。