VR技术因其在娱乐、教育、培训、美术、社交等方面的巨大潜在应用而备受关注，但是为什么至今还没成为主流，为何日常生活中长期使用VR的用户还是很少？^[1]然而自 VR眼镜早期推出以来，这种采用单个浮动透镜的光学设计一直没有发生太大的变化。

在许多其他 VR 技术，如实时跟踪和渲染等显示出快速增长的同时，光学系统设计的发展却一直停滞不前。光学设计发展缓慢，一直是VR爆发式扩张的瓶颈。

1.人眼工作原理

在了解VR头显的镜头是如何工作的之前，我们首先需要了解我们的眼睛是如何工作的。

下图是我们的人眼构造图：

人眼的晶状体相当于一个可自动调节焦点的凸透镜，改变入射光，使其聚焦在视网膜上。当我们看远处的的物体，晶状体是放松的，物体反射光线几乎平行进入晶状体。

当苍蝇这样的物体向你靠近时，为了保持对焦状态，晶状体凸度增大，使物体能够成像到视网膜上。

但如果苍蝇离得太近，超出了晶状体的最大调节限度，我们就会失去焦点。

人眼很难看到距离我们7cm以内的物体，VR头显一般离人眼3cm~7cm之间，这就是为什么VR头显需要使用特殊镜头的原因，由于重新矫正光线，使我们人眼能够聚焦。

VR光学设计方案

2.1传统VR光学技术

最初一代的商业化VR设备都采用了传统的VR光学系统，每个眼睛对应一个单透镜，视场角FOV与头显尺寸之间存在权衡关系，热门产品通常具有 90° 到 110° 的双目 FOV，头显厚度约为 5 厘米、头显宽度约为 15 厘米。也有VR头显双目 FOV 能达到 180° 到 210°，但头显的尺寸相对较大且笨重，厚度约为 10 厘米，宽度约为 30 厘米。

2.2 菲涅耳透镜

菲涅耳透镜由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳所发明的一种透镜。此设计原来被应用于灯塔，这个设计可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短，且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小。和早期的透镜相比，菲涅耳透镜更薄，因此可以传递更多的光，使得灯塔即使距离相当远仍可看见。

为提升头显视场角降低头显重量与厚度，绝大多数VR头显制造商采用菲涅尔透镜作为超短焦镜头设计方案。

下图是菲涅耳透镜原理GIF图：

2.3 偏振的光学折叠技术

2020年，Meta Reality Labs 提出了一款VR眼镜概念机型，它的设计与当今市场上的大多数其他 VR 设备完全不同。这款概念VR眼镜就像一款普通的太阳镜。很多人认为这就是一款AR眼镜，但是Meta坚持这是一款 VR 眼镜。如下图所示，我们可以发现它的镜片非常薄，厚度不到 9 毫米，Meta声称它们的视野“可与当今的消费级 VR 产品相媲美”。这是一个自上而下的视图：

这款概念验证眼镜不仅看起来很薄，它的光学原理也与市场上传统的VR眼镜完全不同。Meta研究团队称其为为“全息光学”技术。

左图是传统的VR头显采用的光学元件，简单的折射透镜；右图是基于偏振的光学折叠技术，帮助减少实际显示器和聚焦图像的镜头之间的距离。通过基于偏振的光学折叠，可以控制光线在镜头内前后移动，这样这个空白空间就可以多次穿越，将原始所需要的空间折叠成一小部分。

目前这款眼镜仍是概念机型，仍处于研究阶段，尚未上市。但这项研究让我们看到了未来VR/AR一体机实现的可能性。

3. AR主流光学设计方案

3.1 Birdbath方案

工作原理：Birdbath光学设计把来自显示源的光线（上图中的蓝线）投射至45度角的分光镜（垂直于前额的黑色矩形）。分光镜具有反射和透射值（R / T），允许光线以R的百分比进行部分反射，而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象，以及由显示器生成的数字影像。从分光镜反射回来的光线弹到合成器上。这是一个凹面镜，可以把光线重新导向眼睛（上图中的虚线）。

采用这种光学设计的主要头显包括：联想Mirage AR头显与ODG R8和R9。

3.1 曲面反射镜（Bug-Eye 虫眼）

工作原理：虫眼头显采用了相对简单的光学设计。它搭载了低成本的LCD显示源，以及带反射/透射（R/T）值的曲面反射镜。显示器发出的光线直接射至凹面镜/合成器，并且反射回眼内。显示源的理想位置居中，并与镜面平行。从技术上讲，理想位置是令显示源覆盖用户的眼睛，所以大多数设计都将显示器移至“轴外”，设置在额头上方。凹面镜上的离轴显示器存在畸变，需要在软件/显示器端进行修正。

采用这种光学设计的头显主要包括：Mira Prism，Meta 2，Leap Motion ，Dream World。

3.3光波导（反射/衍射波导）

工作原理：波导代表了光学技术的一种新形式，在形状尺寸，清晰度和重影方面提供了显著的优势，但技术仍然处于开发阶段。显示源通常使用LCOS(硅基液晶）或DLP显示器。LCOS和DLP都通过衍射光栅发射准直光线。该衍射光栅可以重新导向光线，并最终形成扩大的图像，然后再将其投射到眼内。

虽然波导显示器和高分辨率AR体验令人兴奋，但它们的制造成本非常高昂，而且存在明显的废品率。预计波导价格将随着制造工艺的发展而降低，但它们目前仍是高端头显的成本大头。波导头显的零售价在3000美元至5000美元之间。

采用波导的头显主要包括：微软HoloLens，Maigc Leap One，DAQRI。

4. AR/VR涉及的光学技术一览

左边说明了光学元件和光刻技术为基础的平板设备，右边显示了虚拟现实和增强现实架构所应用新兴技术。

HOE: 全息光学元件

LCHOE:全息光学元件 PPHOE: Photopolymer HOE.光致聚合全息光学元件

Lithography: 光刻

SRG:表面浮雕光栅 Metasurface: 光学超表面

Planar eyepiece: 平面目镜

Achromatic metalens: 消色差透镜

Pancake optics: 饼干镜 (超薄超轻)

LCHOE:液晶全息光学元件；

VAC: 辐辏调节冲突 LCHOE Varifocal lens: 液晶全息光学元件变焦透镜

Pupil steering: 瞳孔转向；

Pupil duplication:瞳孔复制

Pin-grating: 针形光栅

off-axis lens array: 离轴透镜阵列 Diffractive waveguide:衍射波导

Achromatic waveguide: 消色差波导

Achromatic metagrating: 消色差光栅

以上就是涉及VR/AR的主要光学技术，绝大部分的内容来源于一些英文科普文章，加上一点自己的理解归纳而成。笔者只是XR行业的爱好者，非专业出身，如有错误，非常期待向各位专业大佬学习！

参考

1. ^D. Karl, K. Soderquest, M. Farhi, A. Grant, DP Krohn, B. Murphy, J. Schneiderman, and B. Straughan. Augmented and Virtual Reality Survey Report 2019