在VR頭顯中，當看向圓形遮光護目鏡套（tào）的裏麵時，你將會發現兩件事情：一塊顯示虛擬世（shì）界的屏幕；

位於（yú）屏幕前方的一（yī）組（zǔ）透鏡。大部分人主要關注頭顯的顯示器部分，分辨率是多少？刷新率？對比度呢（ne）？

然而，位於（yú）屏幕前方的透鏡同樣重要（yào）。

為什麽說透鏡是VR頭顯的一個重（chóng）要組成部分呢，它們又將如何影響VR體驗的質量呢？

 

1． 透鏡基礎（chǔ）

透鏡的曆史已有數千年之久，其（qí）背後的基本原理十分簡單。當你透過（guò）一塊普通的玻璃來看世界時，

你（nǐ）會（huì）注意到視圖出現了扭曲。玻璃（水或半透明材料）能夠折射通過（guò）它們的光線。根據（jù）給定材料進行設（shè）計，

並且以你想要的方式來折射（shè）光線，這時（shí）你（nǐ）就得到（dào）了一塊透鏡。

 

斯內爾定律描述了所有這一切的物理學。下麵映維網將與大家一起看看關於斯內爾定律的相關公式值（zhí）。

第一個相（xiàng）關值名（míng）為“折射率”，它可（kě）以（yǐ）告訴你（nǐ）給定材料（liào）可以折射多少光線。產生這種效應的原因是，

光線進入給定材料時速度會減慢，而光線越慢，折射數量就越多。常見的例子包括空氣，水，塑料和玻璃（lí）。

另一個值是材料的角度與光線入射（shè）的角度，也就是說光線的折（shé）射取決於：

1）來向（xiàng）和透鏡的（de）形狀（zhuàng）；

2）進入透鏡到離開透鏡所需的時間，或者說透鏡的厚（hòu）度；

3）光（guāng）的波長（顏色）

 

後一個（gè）因素是透鏡中存在的偽影或像差（chà）。棱鏡是屬於透鏡的一種，而透鏡可以像棱鏡一樣，在折射光（guāng）線時（shí）可以將顏色彼此分開。這就是所謂的色差。

我們（men）需（xū）要關注其他的偏差。球（qiú）麵像差會導致圖像的不同部（bù）分聚焦在不（bú）同的點上，這意味著如果你希望圖像的中心變得清晰銳利，邊緣就會變得越來越（yuè）模糊（hú）。

後是桶形失真和枕形失真。這種情況常見於當透鏡（jìng）試圖糾正上述兩種失真的時候，以及試圖產生寬視場的時候。

這將導致終圖（tú）像出現網格被拉伸或擠壓的情況。

 

2． 透鏡與VR

說到透鏡，以及它們將如何影（yǐng）響VR頭顯，我們首先要關（guān）注的（de）是顯示（shì）器尺寸。VR頭顯的尺寸（cùn）越大，所遮擋視圖就越多，

視場範圍也越廣。但如果顯示器（qì）太大，整體設備則可能過於笨重。從這個角（jiǎo）度來看，顯示器越小越好。

 

針對這個問題，一個解決方案（àn）是令屏幕接近你的（de）眼睛。這有兩個好處：首先，你不需（xū）要更大的顯示器（qì）來獲（huò）得更寬的視場；

其次，根據阿基（jī）米德的杠杆原理，顯示器越接（jiē）近你的麵部，它所施加的力就越（yuè）小。遺憾的是，聚焦在過於靠近的對象時就會令人眼產（chǎn）生不適，

這限製了你設置顯示器的距離。

這提出了一個問題。我們正常的視場可達（dá）180度。作為參考，當（dāng）前的頭顯（xiǎn）屏幕的（de）對角線長度可能約為7英寸（18厘米），並且（qiě）盡可能舒適（shì）地靠近眼睛，

這個屏幕將占用相對較少的視場。結果是用戶需要通過一個非常狹窄的視角來感（gǎn）知你（nǐ）的虛擬世界，就（jiù）像是在現實世界中（zhōng）使用眼罩那樣。

解決這個問題（tí）的部（bù）分辦法是，在麵部和（hé）顯示（shì）器之間設置一個透鏡或一係（xì）列的透鏡。我們的目標是折射光線，

使用本質上是放（fàng）大鏡（jìng）的透鏡來為你（nǐ）提（tí）供更寬的視場。你（nǐ）甚至可以將顯（xiǎn）示器移至（zhì）通常令眼睛不舒適（shì）的位置，合適的透鏡將會令（lìng）視圖變得（dé）更加（jiā）舒適。

但當你試圖（tú）通過透鏡（jìng）來擴大視場時，你（nǐ）將會麵臨（lín）前文所述的像差問題。相機鏡頭通過一堆複雜的（de）透鏡來解（jiě）決（jué）這一問題，

試圖消除所有的像差，並（bìng）為你（nǐ）提供一張清晰的，沒有失真的照片。遺憾的是，這一係列的透鏡將增加整體設備的重量和長度，以及相當一部（bù）分的（de）成本。

目前的答案是見於HTC Vive，Oculus Rift和其他頭顯中的菲（fēi）涅耳（ěr）透鏡。菲涅爾透鏡相對較薄，並且（qiě）刻有一係列刻的同心環，

其能夠根據光線的不同入射部分來相應（yīng）地折射光線。如果設計正（zhèng）確，這可以幫助克服僅使用單個透鏡所（suǒ）遭（zāo）遇的像差。因此，你不需要再像相機（jī）那樣使用一（yī）大堆透鏡。

然而，這無法解決所有的問題。盡管菲涅（niè）爾（ěr）透（tòu）鏡提供了寬視場，並且消除了單一透鏡中的大部分色差（chà），但它們沒有克服桶形失真或枕形失真的問題。

當（dāng）代頭顯選擇從軟件端入手：以透（tòu）鏡（jìng）失真的相反方向（xiàng）預（yù）先扭曲圖像，這樣在觀看影像（xiàng）時，用（yòng）戶就能獲得（近乎）正確的圖像。例如，如果透鏡將產生要枕形失真，

你必須（xū）使用桶（tǒng）形失真對圖像進行預變形，反之亦然。

就這樣，你可以獲得寬視場的正確圖像，而且能（néng）夠有效減少顯示器的大（dà）小。

菲涅爾透鏡（jìng）不能解決所有問題。這（zhè）不（bú）僅是因為預扭曲圖像將導致係統為視圖中心提供更多分辨率，減（jiǎn）少邊（biān）緣分辨率，從而進一步降低本已經夠低的VR分辨率；

同時（shí）是因為菲（fēi）涅爾透鏡本身無（wú）法產生完美聚焦的圖像。這就是為什麽相機會選擇昂貴的透鏡堆（duī）棧，而不是菲涅耳透鏡。

更為長期的計劃？我們希望在不太遙遠（yuǎn）的未來，我們可（kě）以（yǐ）通過“超材料”來完全取（qǔ）代傳統的透鏡。

從理論上講，超材料透鏡可以（yǐ）產生幾（jǐ）乎沒有任何偏差的圖像，並且能夠在（zài）極其輕薄的形態下（xià）實現。然而，其背後的工程設計相當（dāng）棘手，

因為光的波長是在（zài）納（nà）米尺度之上（shàng），因此，超材料“透鏡”的有效成分也需要如此之小。

幸運的是，目前（qián）在納米（mǐ）尺度（dù）上建造微小結構的工程經驗已（yǐ）經相當豐富。所有（yǒu）這一切（qiē）意味著，我們這種（zhǒng）極大優化的透鏡或許很快就能登陸消費者市場。