全球知名的科技公司有不少已经在布局VR的相关产品线，虽然在最近几年中VR的发展经历了一个相对低潮期，但其最终上升的趋势是不可逆转的。现阶段VR产品所面临的问题在于，起初能够以其高科技弄潮儿的标签吸引用户，在体验之后却被人遗忘在布满灰尘的角落。可见体验感无法达到预期是众多用户最终“弃剧”的直接原因。
VR产品的体验最直观的当属视觉体验。视觉体验不佳的原因可能是内容感觉过于粗糙、画面不够精细、太假以至于有一种“五毛特效”的感觉，还有就是显示模组本身的缺陷，比如颗粒感、画面畸变、纱窗效应、上帝射线以及其他的亮斑、光晕和散杂光等，此外还有VR产品的结构不符合人眼的构造，例如对屈光不正的用户穿戴不友好、没有有效的瞳距调节等。
相比听觉、触觉、运动操作等其他体验方面，视觉体验不佳很大程度上成为劝退众多玩家的首要原因。俗话说得好，眼睛是心灵的窗户，眼疲劳了，一切白搭，不能使眼睛感到愉悦的VR产品肯定不是合格的VR产品。本文对VR产品中的光学显示模组部分进行简要的分析，讨论一个好的光学设计如何实现健康舒适的VR观看视觉体验。
VR显示的本质是通过光学系统将屏幕放大并投射到人眼中，人眼所看到的其实是屏幕的虚像如同电影院巨幕一样，从而营造一种虚拟的沉浸感。因而VR产品的视觉舒适度与屏幕和光学系统两者有直接的关系。
图1，VR的简要光学原理（图源：多普光电）
影响视觉体验舒适度的因素主要有以下三个：
1、画面畸变
图2，光学成像畸变①（图源：多普光电）
2、视场角、屏幕和分辨率
图3，视场角和分辨率需求（图源：多普光电）
3、人眼适配（瞳距和屈光度调节）
图4，（上）瞳距调节使双眼视觉图像重叠及（下）屈光度调节以看清图像（图源：多普光电）
一、畸变
畸变是光学系统（以下简称镜头或光学镜头）像差的一种，也称为失真，常见的有桶形畸变（Barrel Distortion）和枕形畸变（Pincushion Distortion）。畸变是和光学镜头固有特性有关的，无法被完全消除，只能改善。
图5，光学成像畸变示意图（图源：多普光电）为了使广大读者尤其是一些非专业性读者明白畸变在VR中的表现是什么样子，我们做一个简单的对比试验。使用最简单的VR光学架构，这种光学架构通常仅包含一片透镜，最多两片，目前正在被大多数VR产品所使用着。简单光学架构的意思不在于透镜数量而在于对光行进路线的处理。如以下各图所示，我们用手机做屏幕，分别用一片薄菲涅尔透镜、一片研磨凸透镜、一片模压凸透镜对屏幕进行放大，然后观看其放大后的效果。
图6，手机屏幕上显示的一张照片（图源：多普光电）
图7，薄菲涅尔透镜（图源：多普光电）
图8，薄菲涅尔透镜放大后的图像（图源：多普光电）
图9，研磨凸透镜放大后的图像（图源：多普光电）
图10，模压凸透镜放大后的图像，存在畸变、色差和扭曲（图源：多普光电）
由以上对比可看出，经过简单光学架构（只含一片透镜）放大后的图像都是存在畸变的，而且图像边缘还存在色差（明显的蓝边黄边，色差和畸变一样，同属像差的一种）。此外，所用透镜的品质决定了成像的品质，而透镜的品质与设计、制造和精度息息相关（以上试验对比不作为研磨和模压两种工艺优劣的评判，上图10所示的图像扭曲可能与透镜制造的工艺水平和精度有关）。
接下来，我们使用相对复杂一点的光学架构，比如胶合透镜（两片透镜组成）来再次测试。
图11，研磨凸透镜放大后的图像，注意红圈处分割线在屏幕上肉眼看是竖直和白色的，经单透镜放大后畸变弯曲和有显著的边缘色差（图源：多普光电）
图12，采用胶合透镜放大后的图像，畸变已有改善但还是较为明显，色差已有显著改善（图源：多普光电）由以上试验可看出，采用单透镜其成像会有色差和畸变，采用胶合双透镜消除了色差，但并无有效地改善畸变。
采用简单光学架构，固然可以减少硬件上的成本，但却是以牺牲成像质量作为代价的。为了使VR产品更加轻薄，镜头的焦距也在往更短的方向发展。在短焦情况下继续采用这类光学架构，畸变更是突出。短焦镜头的使用已然成为VR产品必然的发展趋势，它能显著减少VR产品的体积，但畸变是短焦镜头非常难以消除的技术痛点。畸变不会影响成像的清晰度，但却因为成像形状与实际形状有明显差别而严重影响视觉观感。
如何削弱畸变对视觉体验的影响？方法一般有软和硬两种处理方法。软处理方法是改变输入到屏幕端的内容的畸变，比如，一般凸透镜放大会产生显著的枕形畸变，那么就需要对内容做反向补偿处理即把内容做成桶形畸变，然后通过透镜放大，两者相互抵消以达到改善畸变的目的。
图13，经过简单的软处理后的视频内容，桶形畸变，单屏幕分屏（图源：多普光电）
由于不同厂商的VR产品其镜头的畸变量是不同的，内容提供商很难针对不同的畸变量去逐个对内容进行反向补偿处理以适配。对镜头畸变参数的精确测量是进行内容处理的基础。对于有实力的企业，如一些大资本企业和头部企业，能够特别地针对自家的光学畸变参数对内容进行补偿，比如Oculus SDK就有专门的Distortion Mesh内容渲染开发指南。
对于缺乏相关光学人才的公司或者在光学方面经验不足的公司，因无法获得准确的光学镜头参数而无法做到精确的内容补偿，从而导致视觉体验始终无法优化到位。由此可见，虽然采用简单光学架构的透镜方案能减少硬件成本，但却无形中增加了后端内容开发的成本。
图14，Oculus Rift SDK为客户端畸变提供的长宽比为1的网格之一（图源：多普光电）硬处理方法是指通过光学设计减小成像畸变甚至达到无畸变。对于折射式光学方案，需要多个透镜组合来减小畸变，例如相机镜头就是典型的利用多透镜组合来减小畸变；也可采用折叠光路方案通过减少折射权重增加反射权重来减少畸变。硬处理方法无疑是更优的、可靠的但技术门槛较高的方法，没有过硬的光学设计能力和镜头制造技术是很难做到的。
图15，采用了多透镜组合式光学架构的无畸变镜头的投影效果（图源：多普光电）虽然较明显的画面畸变（这些畸变没有处理好或没办法优化到位）对VR使用者是否会造成视力损害，目前暂时没有权威机构给出明确结论，但对于VR产品这种穿戴时离眼睛非常近的产品而言，由畸变造成的不舒适观看体验与视觉疲劳则是显而易见的。
图16，视觉疲劳（图源：多普光电）
广州市多普光电科技有限公司是一家光学设计与方案提供商，专业从事成像光学的设计和方案提供，在高清成像和投影光学设计领域富有经验，最近已经成功研发出两款应用到VR头戴式显示器超短焦光学镜头，分别采用折射式光学方案和Pancake折叠光路光学方案，显著降低了光学畸变水平。
其中基于折射式光学方案的光学镜头，采用了多片透镜光学架构，含两片非球面高精度研磨透镜，畸变控制在0.8%以内，从观感上几乎实现无畸变。基于折叠光路方案的光学镜头，仅仅为一片透镜，畸变控制在1.4%。
图17，上为0.8%畸变的图像模拟图（左）和网格畸变图（右），下为1.4%畸变的图像模拟图（左）和网格畸变图（右）（图源：多普光电）
二、视场角、屏幕与分辨率
在VR发展的早期阶段，曾流行过一种VR盒子，盒子内装两片薄透镜，将手机卡在盒子中间充当屏幕。在手机屏幕的分辨率不是太高的情况下，显示的内容又只能局限在同一屏幕分隔开的两个很小的区域，这类产品往往具有画面畸变、边界模糊、显著的颗粒感、纱窗效应和视场角小等缺点，视觉体验不甚理想。同时，因手机在最前端且光学焦距长，依据杠杆原理，在穿戴时可感受到明显的压迫感。
图18，VR盒子和其视觉效果（图源：多普光电）
改善穿戴和视觉体验可以选择采用小屏幕和短焦距光学镜头。随着技术的快速发展，屏幕越做越小，分辨率越来越高。现如今单个0.71英寸的Micro OLED屏也能完全支持2K甚至更高达4K的分辨率。屏幕分辨率的提升有效地弱化了纱窗效应和颗粒感。紧凑的尺寸和高度集成的电子系统可以减轻重量和更加均匀地分布重量。
图19，高分辨率微型OLED显示屏（图源：多普光电）
在上一节“畸变”中提到，VR显示的本质是通过光学系统将屏幕放大并投射到人眼中，人眼所看到的其实是屏幕的虚像如同巨幕电影一样，营造出一种沉浸感。
人类双眼的水平视场角略大于200度，垂直视场角约130度。在60~90度范围内人眼肌肉不必特别紧绷就能轻松地分辨物体，当物体位置超出该角度范围，需要费力转动眼球甚至扭头去看，一段时间后容易疲劳。
图20，人类裸眼视场角（图源：多普光电）
除了裸眼视场角，VR产品的视场角与其搭配的屏幕有关。简言之，在给定焦距的情况下，屏幕越大，能提供的有效视场角则越宽，反之越窄。当然，选择怎样的屏幕需要综合考虑与光学镜头的匹配、体积、分辨率、刷新率、成本等因素。
图21，视场角与屏幕大小（图源：多普光电）
经过光学镜头放大后，视场角与屏幕之间的关系是怎样影响视觉体验的？视场角窄意味着看到的影像小，对分辨率的要求低，反之则高。对于VR产品的屏幕而言，视场角在50度以下时，要求屏幕分辨率达720p（1K）可满足正常观看体验；视场角在50到70度时，屏幕分辨率在1080p（2K）就可以有不错的观看体验。
随着视场角变得更宽，对屏幕分辨率要求越高。当视场角增加到90度，分辨率至少需要达到2160p（4K），才能保证较好的观看体验；当视场角达120度以上，屏幕分辨率要达到4320p（8K）甚至（12K）才能满足基本的观看要求。之所以有这些要求，是因为要保证视网膜显示效果，业内一般是要求至少达到57ppd。
图22，视场角与屏幕分辨率要求（图源：多普光电）
视场角越宽，沉浸感越强。然而，有的厂商一味地宣传其视场角很宽是不完全正确的，因为宽视场角必须要求很高的屏幕分辨率。可是，能够在整个宽视场角范围都保有一致均匀的、真正符合人眼观看需求的高清晰度分布的技术，暂时还没有应用。
不过，利用眼球追踪技术来实现局部的窄视场角范围的内容优化，动态实时地调整人眼所见之处的局部高清和其他区域的非高清，确实是一种在计算力无法满足巨量内容处理的情况下的妥协办法。但对于整块屏幕而言，其本身的分辨率分布是高度一致的，从这点而言，屏幕的分辨率资源是浪费了。分辨率的降低反过来又导致了视觉体验上的一些缺陷。
图23，nVidia Multi-res Shading渲染示意图，边缘的部分像素密度较低，中心较高，可提升渲染性能（图源：多普光电）
我们举一个普通的例子，很形象地阐述了视场角、屏幕和分辨率的之间的关系。在日常生活中的某一天，我们与家人、朋友一起想要看某个IMAX巨幕电影而在网上订票的时候，中后排位置的票是不是很抢手，而前排的票几乎无人问津？这是一个大脑很自然的选择，因为中后排有合适的观影距离，有舒适的视觉体验视场角，人眼肌肉不紧张，不易疲劳，换言之就是能满足人眼基本生理需求。虽然目前VR行业内还无法做到类似《头号玩家》那样的全高清全包围沉浸感，但我们在设计VR产品时应当遵循物理规则，充分考虑合适的视场角与屏幕分辨率匹配，尽量设计出一款使眼睛愉悦的VR设备。
图24，IMAX巨幕影院选座（图源：多普光电）
三、人眼适配（瞳距和屈光度调节）
前面讲到，不少消费者在首次购买VR产品的时候觉得这东西好有科技感、很新潮，然而在使用了几次之后便将其打入冷宫。造成这种结果的原因，除了内容不够丰富、视觉体验不够舒适，还有一些隐形的潜在健康风险。这些风险刚开始不容易发现，但时间长了会比较显著。
举个例子，显微镜是大家众所周知的一种光学观察仪器。它将微小的物体通过光学系统放大后被人眼所识别。使用时人眼离显微镜的目镜很近，观看光学显微成像时感觉图像近在咫尺、细节历历可辨（这其实也是一种沉浸感），但是长时间使用光学显微镜是很容易引起视觉疲劳的。
图25，显微镜及其成像（图源：多普光电）
显微镜之所以会拿来和VR做类比，是因为两者确有相近之处。VR是通过光学系统将屏幕放大并投射到人眼中，在设备工作时，人眼离光学系统也很近。人们在穿戴VR产品时，眼睛的舒适度是很重要的评价。影响舒适度的因素除了之前介绍的视场角、图像清晰度、畸变外，还有VR光学成像的远近和能否适配不同人眼的生理结构（主要是瞳距和屈光不正）。
成像的远近是如何影响眼睛舒适度及导致一些健康风险的？此处引入一个概念“明视距离”。人眼看太远和太近的物体时，眼球都要进行调节，即改变眼球的突起程度，但有一个距离恰能使眼睛不用调节就能看清楚，这个距离叫明视距离。也就是说眼睛看处在明视距离位置的物体感觉上是非常自然舒服的。适合正常人眼观察近处较小物体的距离，约为25cm。
在一定的视场角范围内，人的眼睛看不同距离的物体时，会根据物体的距离来调整眼球的状态（含视线方向和凸起程度）。当某物体突然出现在人面前时，初始肉眼是无法看清这个物体的，如需要清楚地分辨该物体，需要将眼球从自然状态调整到对焦工作状态，也就是常说的“定眼一看”。当物体由远至近缓慢地靠近人眼时，若要实时动态地看清该物体，人的双眼则会根据物体移动速度调整，视线逐渐向中间靠拢，达到双眼视线极限的角度（视场夹角α逐渐增大到极限）位置形成“斗鸡眼”。在此过程中，人眼肌肉是由放松状态逐渐变得收缩紧绷，当物体离人眼的距离小于明视距离，人眼肌肉将处于一种过度收缩或紧绷的状态，很容易出现视疲劳，久而久之很可能引发近视。
在VR产品中，物体就是屏幕经过光学镜头放大后的虚像，像的位置给人的感觉不能太近，宁远勿近，否则同样会对眼睛造成压迫感从而带来健康隐患。到此，显微镜之所以容易引起视疲劳的直接原因就清楚了，因为它的像距感觉太近了。目前市场上大多数VR产品采用了折射式光学成像方案，即采用一片菲涅尔透镜，其焦距相对于多透镜组合的折射式成像与Pancake折叠光路成像方案要长，像距短，屏幕虚像的位置感觉更靠近人眼，因此这类VR产品穿戴的时候比较容易感到视疲劳，尤其是当穿戴一段时间之后摘下时，很容易发生眩晕。
图26，不同距离物体的视觉感受（图源：多普光电）
人的双眼观看物体会有一个视场夹角α，要看得舒服，这个夹角是有一定范围的，不能太大。当眼睛没有特别关注东西的时候，双眼处于自然放状态下，左眼光轴和右眼光轴可看成是近乎平行的。当需要观察某物时，两个眼球从自然状态对称地向视场的中心靠拢，以使得左眼光轴和右眼光轴都指向中心区，此时左右双眼形成视场夹角α，大脑会将双眼所获得的像进行重叠，从而获得一个清晰的视觉。这个视场夹角α与物体到眼睛的距离（在VR中，物体是指屏幕虚像，距离为虚拟距离），以及双眼瞳距有直接关系。
在一个VR产品中，有的采用一个大屏幕，通过软件将其切割成两个小屏幕,有的采用两个独立的屏幕，然后有两个光学镜头与之配套，组成VR的光学显示模组。下面将分析这两种屏幕方案对于不同的瞳距有什么影响。
①一个大屏幕切割成两小屏幕
很明显，两个小屏幕的中心间距是无法改变的。在VR产品没有瞳距调节功能的情况下（所谓的通过软件调节不算，无法根治视觉舒适度问题），当瞳距不匹配的时候，将导致无法看到重叠的像或完整的像。
图27（图源：多普光电）当增加瞳距调节功能时，只能调整透镜中心间距，由于屏幕固定，调整透镜中心间距意味着透镜中心与屏幕中心不在同一轴线上，成像发生误差，同样会导致无法看到重叠的像或完整的像，需要大脑强行对屏幕虚像进行重叠处理，易感到视觉疲劳和眩晕。
图28（图源：多普光电）
②两个独立屏幕
只有当屏幕与透镜做成一个整体，即VR的光学显示模组，此时屏幕中心与透镜中心可同轴，那么左右两个模组就可以调整间距以匹配瞳距参数。但是仅有左右平移是不够的，因为在实质上像中心并没有重合。为了使像中心重合，左右双眼的眼球会稍微向外侧移动，各自的像中心则会向内侧移动直到重合，此时眼球肌肉是有所紧绷的。
图29（图源：多普光电）
眩晕感很大程度来自于非自然的眼球聚焦后的视场夹角。在理想情况下，人眼光轴的视场夹角α与左右屏幕中心轴夹角β应高度重合，即认为是在一个自然状态下的对焦，眼球感到轻松，肌肉相对来说不会那么紧绷，大脑可自然而然地将两个像完全重叠，如此可消除眩晕感。也就是说我们可以试着对屏幕的方向做一个细微调整，使左右屏幕不是平行排列而是有一个预设夹角。
图30（图源：多普光电）
采用两个独立屏幕的VR产品，相比较于采用一个大屏幕的VR产品，在增添基于以上思路的瞳距调节功能后，其视觉舒适度要好得多。
图31（图源：多普光电）
VR产品的瞳距调节，人眼光轴与透镜屏幕中心轴高度重合，像中心重合，为方便演示做了特殊夸张处理，实际像距应该在很远的距离。
眼睛的屈光不正通常表现为近视或远视。当眼睛在放松状态下，平行光线经过晶状体进入眼内聚焦在视网膜之前，导致视网膜上无法形成清晰的像，称为近视眼。反之，聚焦在视网膜后的，称为远视眼。市场上有大部分VR产品不带屈光调节功能，但却配备了一些配件以方便戴眼镜的用户。受限于屏幕与光学镜头的设计，戴上眼镜再穿戴VR产品，这样的体验一定会打折扣。
由于聚焦位置的不同，近视眼和远视眼的眼球焦距是不一样的，同样为近视，当双眼度数相差较大时，其眼球焦距亦有显著不同。设计一款VR产品其光学镜头能对不同用户眼睛的屈光不正程度进行调焦适配。然而，调整光学镜头的焦距意味着屏幕成像的位置也发生了变化。成像位置的变化就意味着光轴夹角α的变化。如下图所示，当双眼视力不同时，α1和α2的顶点不一定重合，即α不对称。此时为了看到重叠的清晰的像，用户的左右双眼形成视场夹角α相对于初始值被迫发生改变，非自然状态的和不合理的α会使得双眼将处于收缩或者紧绷状态，长时间将会产生视疲劳。
图32，屏幕像的远近及左右眼视场夹角（图源：多普光电）
如果，在调焦过程中能保持视场夹角α与初始值高度一致，即α1和α2中心对称，就能获取尽可能接近自然状态的对焦，而非迫使眼球对焦，这对于提升视觉体验舒适度同样是十分重要的。
图33，同轴对称式屈光度调节（图源：多普光电）
要获得健康舒适的VR观看视觉体验，不是一件简单的事情，需要在多个方面进行综合的考量以取得平衡。如今，多普光电（Toplite）开发了两款超短焦的VR光学镜头，分别采用折射式光路和Pancake折叠光路方案。其中折射式光路方案采用了四透镜组合的光学架构，内含两片非球面精密研磨透镜，成像畸变低至0.8%，镜头重量仅29g；Pancake折叠光路方案的光学镜头仅是一片透镜，畸变低至1.4%，相比传统的至少需要2片透镜才能实现的折叠光路方案，结构更简单、焦距更短（仅为14mm）、重量更轻。两者从视觉体验上几乎感受不到畸变。
多普光电还提出了同轴对称式的瞳距调节和屈光度调节方法，采用以上方法的VR光机也同时推向市场，用于研发VR终端产品。VR光机匹配0.71英寸的高分辨率Mirco OLED显示屏，有效视场角分别为68度和120度，体积小重量轻。
基于创新光学设计的光学镜头为VR终端产品的设计提供了全新的解决方案与思路，帮助实现更加健康舒适的VR视觉体验。（更多光学设计敬请关注“多普微光学设计”）
*声明：新闻稿非VR陀螺官方稿，法律问题一律与VR陀螺无关
