编译/VR陀螺
近期，光学研发公司Hypervision对苹果Vision Pro的光学设计进行了详细的设计分析，探讨了苹果Vision Pro（简称AVP）使用的Micro-OLED或Meta等大多数其他公司使用的LCD方案能否支持每度60像素的高分辨率、角度分辨率和宽视场角。
Hypervision：实现60PPD要靠Fast LCD，而非Micro-OLED
以下为Hypervision报告内容编译：
由于现有显示器像素不足（暂且不提计算能力），提高图像分辨率一直是VR行业面临的挑战之一。业内一个普遍的目标是获得60像素/度（PPD）的角分辨率，以符合人眼看到的世界。目前，只有AVP头显具有最高分辨率，它采用索尼公司的4K Micro-OLED显示屏和最佳商用Pancake光学器件，达到了约40 PPD的分辨率。
经过长时间的发展演变，目前有两种领先的视觉引擎方法：（1）基于Micro-OLED的Pancake光学器件；（2）基于Fast LCD的Pancake光学器件。
尽管市面上的Fast LCD分辨率低于3K，但各公司都在努力推出4K分辨率的Fast LCD产品。或许对于一部分用户来说，头显采用何种技术并不重要，而基于FOV和PPD所带来的沉浸感才是决定性因素。因此，要达到下图所示的60 PPD和宽视场角，哪类方案更加合适？
图源：Hypervision人们相信这种Micro-OLED将实现最紧凑、高分辨率的VR系统，最终达到60 PPD的目标。但人们往往忽视了它的缺点，例如价格高、视场角（FOV）小和eyebox最小。下图显示了Fast LCD（左）和Micro-OLED（右）之间的差异：
可能有人会对Micro-OLED存在两种误解，本文将对这些假设提出质疑：
可以通过更大的Micro-OLED增加FOV
不一定可行；光刻标准设备将尺寸限制在1.4英寸面板尺寸之内
将像素缩小并达到6K分辨率（对于相同的1.4英寸Micro-OLED），分辨率将达到60PPD
不一定可行；在本报告末尾，我们表明目前的40PPD即使对于6K Micro-OLED也是极限。
发出这篇文章的原因是许多AVP用户注意到投影图像看起来“柔和”或不太清晰。我们留意到Karl Guttag对AVP图像质量进行了详细的技术分析。从他的分析中可以得出几个结论：
通过AVP光学镜片投射的图像确实略显模糊，而且无法分辨单个像素。与AVP相比，Meta Quest 3提供的图像明显更加清晰。
我们可以拆卸AVP光学模块，将显示屏和镜头拆开。在某些AVP模块中，如果将显示屏从设计位置移近镜头，图像会变得更加清晰。这可能表明，在该模块中，虚拟图像位于用户背后，本技术说明将对此进行解释。这可能是AVP工程师有意为之，也可能是光学器件对装配和制造公差高度敏感的结果。
我们可以得出这样的结论，即图像的模糊是设计中为了掩盖纱门效应而嵌入的。（这一点可能不对）
考虑到有些人（包括我们自己）认为某些AVP头显提供的图像更清晰，而另一些AVP头显的图像则不那么清晰，图像模糊的效果看起来并非有意为之。至少它是不可重复的，而且可能是由镜头像差或用户背后虚拟图像的位置或两者的结合造成的。为了解释这种体验，我们使用了最简单的双折射（Pancake）镜头，如下图所示，该镜头只有两个光折叠表面，没有折射面。
该镜头包括两个表面，其光学功率分别为L1（50%镜面的焦距f1）和L2（反射偏振镜面的焦距f2），两者之间的距离为a。如果显示屏与L2的光学后焦距（BFL）为b=BFL-a，则虚拟图像位于无限远处（准直），如绿色光线所示。如果将显示屏移近镜头，即b
最后，如果显示屏离镜头更远，即b>（BFL-a），虚拟图像会移动到观察者的后面，如红色光线所示。图像是由会聚光线形成的。眼睛永远无法适应会聚图像，图像永远是模糊的。
焦距F的计算公式为1/F=1/f1+1/f2-a/（f1*f2），由两个薄透镜组成的后焦距（BFL）相隔距离为a：BFL=f1(a-f2)/(a-(f1+f2))。利用上述公式，我们可以计算出参数a、b、f1和f2所定义系统的虚像位置。
假设虚像的位置设定在观察者前L0 = 2米处。考虑到两个Pancake镜头：一个用于Micro-OLED，另一个用于Fast LCD。对于第一种情况，让我们采用接近AVP镜头的参数；对于第二种情况，考虑采用焦距为25毫米、假设像素尺寸为11微米的透镜，以达到与AVP相同的PPD。基于Fast LCD的HO140视觉引擎的其余参数是保密的。
让我们模拟a和b参数在+/- 0.2毫米范围内的制造公差，并计算可能的虚拟图像位置图。下图显示了为Micro-OLED（左侧）和Fast LCD（右侧）设计的镜头的虚拟图像位置图（单位：毫米）。图中的蓝色区域对应的是负图像距离，即图像位于用户身后，看起来比较模糊。例如，我们可以看到，如果Pancake镜头中的两个折叠面之间的距离过远，图像距离就会变成负值。
此外，我们还可以看到，对于Micro-OLED镜头来说，a和b的误差小于0.1毫米就足以使图像距离进入蓝色区域。另一方面，对于Fast LCD镜头来说，即使元件定位误差高达0.1毫米，图像也能始终保持清晰。Fast LCD镜头的容差灵敏度较低，是因为其焦距较长。
通常，VR光学系统投射的虚拟图像距离用户1米至2米。头显制造商选择这个距离是为了减少视觉辐辏调节冲突。由于制造公差，头显光学模块中的显示屏与镜头的距离比设计所需的距离更远，那么虚拟图像就会离用户更远。同样，如果VR Pancake镜头（反射偏振镜和半反射镜）的光折叠表面之间的距离大于设计值，虚拟图像也会远离用户。
通常，这种图像偏移是有限的，眼睛可以适应不同的距离，并且可以看到清晰的图像。但是，如果镜头设计对公差过于敏感，虚拟图像可能会移动得太远，甚至到无限远。这意味着虚拟图像位于用户的背后，而进入用户眼睛的光线是会聚的。人眼永远无法适应这种清晰的图像，因此，用户看到的图像是模糊的。
我们进行了公差分析，以实现理论上的6K、2.56" Fast LCD与6K 1.4" Micro-OLED在商业质量制造工艺下最大角度分辨率。我们模拟了：（1）我们的HO140视觉引擎（基于Fast LCD）与（2）逆向工程的AVP视觉引擎（基于Micro-OLED），如下所示：
在进行镜头公差分析时，镜头设计参数可以在制造公差定义的特定范围内变化。同时，为了补偿设计参数偏离标称值时透镜性能的下降，可以引入补偿器。补偿器是一个可以改变的参数，在设计受到制造误差干扰的情况下，它可以优化镜头的性能。
在我们的分析中，我们假定眼睛的的调节范围可以在0.5米到5米之间变化，并可以作为这样的补偿作用。当然，在观看虚拟图像时，眼睛会自动尝试调节以获得尽可能清晰的图像。
报告结论：AVP图像模糊或是由于镜头制造误差造成的
镜片厚度和位置的制造误差会导致虚拟图像的偏移，而镜片表面形状的误差（不规则性）则会使图像变得模糊，即使它处在正确的位置。这两个过程的某种结合可能导致某些AVP的图像模糊（或所谓的“纱门效应遮蔽”）。苹果正在为下一代AVP招聘一名高级精密光学制造工程师（截至2024年6月），或许也证明了：AVP图像模糊是由于镜头制造误差造成的这一结论。
由于苹果对光学制造精度的重视，下一代苹果的MR光学系统肯定会有所改进。不过，基于Micro-OLED和非“精密光学”质量等级的视觉引擎未来是否会支持60PPD还存在疑问。由于Fast LCD的成本大大降低，加上更大的FOV、eyebox和拥有能达到60PPD的能力（此外，背光升级解决了视觉辐辏调节冲突并提高了亮度），我们相信几年后Fast LCD将成为MR的主流技术。
Karl Guttag：AVP的光学器件是“不稳定”的
根据Hypervision的这份报告，Karl Guttag表示可谈论其中的一些要点。他之前的文章首次提出：显示了相同的视场角，将AVP与Meta Quest 3（简称MQ3）高分辨率图片比较后，AVP更加模糊的问题。
图源：Karl GuttagKarl Guttag最近一直在通过Bigscreen Beyond（简称BSB）的头显获取图像，并决定将其与相同的测试（上图）进行比较。就光学清晰度而言，它介于AVP和MQ3之间。有趣的是，在拍摄这些裁剪图的镜头光学最佳部分，BSB头显的角分辨率（约为每度32像素）略低于AVP（约为每度40像素）。然而，BSB上的文字和线条图案比AVP上的效果更好。
AVP采用了非常先进和复杂的Pancake光学器件，外形紧凑，同时支持宽视场角和相对较小的Micro-OLED。其他大多数Pancake光学器件都有两个元件，它们与偏振片和四分之一波片的平面相匹配，用于操纵偏振光，使光线两次通过光学器件（见下图左侧的Meta示例）。苹果的三层透镜光学器件更为复杂，带有弧形偏振片和四分之一波片（下图右侧）。
Karl Guttag根据对AVP如何根据眼动跟踪动态调整色差等光学缺陷的研究来看，AVP的光学器件是“不稳定”的，因为如果没有动态校正，这些缺陷就会显得更加严重。
正如Hypervision所指出的问题那样，由于半导体制造的限制（光刻机限制），Micro-OLED长期以来无法做得更大。他们认为，实现~60PPD和~140度FOV的唯一路径是使用2.56英寸LCD显示屏。LCD向更小像素的自然发展趋势将使其分辨率高于其光学器件所能支持的分辨率。
Hypervision证明了一个观点，即目前采用Pancake光学器件的Micro-OLED设计已经突破了价格合理的光学器件的极限。
AVP之所以出现模糊的现象，可能是因为它已经超出了可制造设计的极限。那么自然而然的问题是，如果AVP已经存在问题，他们如何能支持更高的分辨率和更宽的视场角？
Micro-OLED的尺寸受限于芯片尺寸，对角线上的尺寸约为1.4英寸以上，至少在不采用多个掩模版“拼接”的情况下是如此（这是可能的，但对于高性价比设备来说并不实际）。要提高Micro-OLED的分辨率，像素必须更小，这就要求光学器件的放大倍数更大。然后，要增加视场角，就需要对更小的像素进行更多的光学放大。
LCD也存在问题，尤其是黑电平和对比度。具有局部调光功能的小型照明LED可能会有所帮助，但事实证明它们的效果不如Micro-OLED。
原文链接：
https://www.hypervision.ai/tech-research/uoledvsfastlcd4ppd60
https://kguttag.com/2024/06/14/hypervision-micro-oled-vs-lcd-and-why-the-apple-vision-pro-is-blurry/
