本文回顾了过去6年来一般VR头显硬件架构的演进（传感器和计算单元），显示架构的演进以及新兴的光学系统架构的演进。这三项技术的演进构成了令人振奋的VR硬件路线图的主干，从而使头显更小巧，轻便，并具有更大的FOV和更高的分辨率，最终提供了更舒适的用户体验，并给除现有游戏之外的新应用领域提供了可能，从而使得此类硬件优化可为VR头戴设备带来企业和消费者生产力市场的渗透，而不是如今的VR头戴设备主要由消费者游戏市场支撑，而AR市场则主要由企业市场支撑。

1 硬件架构演进

在回顾VR头盔的光学路线图之前，我们将回顾VR头盔的整体硬件架构路线图（见图1）。大多数原始的VR头盔（如早期的FakeSpace Wide 5和较晚的Oculus DK1 / DK2）都与高端计算机绑定在一起，并具有由外到内的面向用户的摄像头以进行头部跟踪，然后再进行更复杂的外部摄像头，像在Oculus CV1和HTC Vive中一样，在相机和传感器中被捆绑到配置特定的GPU的PC上。

图1 2016–2019年VR硬件架构路线图：从带外入内传感器的PC捆绑式头盔到带内外出传感器的独立设备。

这些传感器必须固定在VR指定的空间位置。 Windows MR头盔以及三星Odyssey，Acer，Lenovo，HP和Dell等第三方制造商在2017年提供了真正的6DOF内向外传感器体验，但仍与高GPU PC捆绑在一起。然后在2018年推出了带有IMU传感器的更便宜，更简单的独立3DOF版本，例如Oculus Go。

同时，该行业朝着配备6DOF内向外传感器的独立VR头盔（例如HTC Vive Focus或Oculus Quest）或内外高性能PC/高端VR头盔发展（例如Oculu Rift S或HTC Vive Pro s）。售价较低的HTC Vive Cosmos（2019年春季）是通过PC连接的，具有内向外6DOF传感器，可以模块化，并具有可以翻转的头戴，这是VR头盔的一项很酷的功能（也被其他一些人采用，例如作为HP）。

值得注意的是，（2014年至2018年）从外而内的定位向6DOF内外的传感器演进的速度，是如此之快，从早期的是用摄像头定位（如Oculus DK1和DK2中），到HTC Vive和Oculus CV1采用笨拙的空间定位系统，再到具备inside-out定位的超薄一体机，例如今天的Oculus Quest和HTC Vive Focus Pro。

考虑到最初的VR头显硬件工作始于1990年代初（超过四分之一世纪），因此我们目睹了快速的架构演进，这只有在“风口”周期持续的情况下才有可能。

2 显示技术的演进

随着低功耗，快速计算移动芯片，WiFi /蓝牙连接，IMU，前后摄像头以及深度图传感器等智能手机显示屏的压倒性优势和低成本可用性，最新的VR繁荣已从中受益匪浅。

较早的VR头显设计是在智能手机技术引入之前的十年，基于更奇特的显示架构（也许更适合沉浸式显示器），例如1995 Virtual Boy头显中的1D LED镜面扫描仪。

在2000年代初至2010年代初的两次VR繁荣之间，当前大多数VR头盔的“视频播放器头盔”或“视频智能眼镜”都是基于低成本LCoS和DLP微型显示器的，专为单反相机电子取景器和微型投影仪（包括EMS微型投影仪光学引擎）开发。从2000年代中期开始，激进的智能手机市场促使LCD行业生产高PPI的LTPS LCD面板，然后生产IPS LCD面板，最后生产AMOLED面板。

它们以低成本和高达800 DPI的高分辨率出现，最近通过了1250 DPI。Google和LG Display于2017年在玻璃面板上展示了4.3英寸16 Mp（3840×2×4000）OLED显示器，用于VR显示器，其分辨率为1443 DPI（17.6微米像素）、亮度为150-cd / m2，占空比为20％，对比度高达15000：1，色深为10位，工作频率为120 Hz。但是，要填充一个典型的160度（h）×150度（V）的人视场，分辨率为1arcmin，每只眼睛需要9600×9600像素。因此，注视点渲染是一种“必需的”功能，可以在不降低高分辨率感知的情况下减少像素数。

Si背板上的HTPS LCD和micro-OLED微型显示器已应用于VR头戴式受话器，但具有下一代光学器件，例如pancake透镜或多径透镜，甚至MLA阵列（请参见下文）。

3 光学技术的演进

常规的折射透镜（如Oculus DK1和DK2，以及Sony PlayStation VR中的透镜）由于入射角，重量和大小而受到限制，这限制了它们的光焦度，从而限制了显示器与光学元件之间的距离（进而，HMD的尺寸以及头显的重心（CG）的重量和位置。某些早期的头显（例如DK1）配备了各种可互换镜头，可以适应不同的需求）。

图2连续的VR镜头配置旨在增加FOV并减小重量和尺寸。

过去几年中，大多数VR HMD都采用了混合菲涅耳透镜，例如在HTC Vive to Vive Pro，大多数Windows MR耳机，从CV1到Quest和Rift S以及其他许多产品（见图2）。菲涅耳透镜的外形尺寸要薄得多，但是菲涅尔透镜会带来菲涅耳环效应（炫光），尤其是在大角视场角时。

这样的混合透镜可以是折射菲涅耳或衍射菲涅耳。曲面上的混合菲涅耳衍射透镜可以为消色差单峰提供横向色散（LCS）的有效补偿。最近的透镜设计尝试使中心区域具有纯折射，该中心区域朝向透镜的边缘成为混合菲涅耳（图2中右）。这样可以减小总厚度，而不会为较低角度改变中央区域的高分辨率区域。替代性菲涅耳屈光概念，例如Wearality（图2的最右边）中的一个，试图将FOV增大到很多，而不必增加显示尺寸，并明显减少了镜片的重量和厚度。然而，这种透镜在整个视场上具有更严重的菲涅耳带环鬼影。

减轻镜片的重量和尺寸是可穿戴舒适性的一方面。减小透镜与显示器之间的距离也是可取的，因为它改善了整体形状，并将重心进一步推回到头部，以提高佩戴舒适性。减小透镜与显示器之间的距离需要增大透镜的光焦度（对应于焦距的减小）。较强的简单折射或菲涅耳透镜会影响整体效率和MTF。因此，已经研究了其他透镜配置，或者说是复合透镜配置，以提供其他选择。图3显示了一些这样的复合透镜，即偏光pancake透镜，多径复合透镜和MLA—与传统透镜对比。

图3复合VR镜头配置旨在缩短显示器与镜头之间的距离，从而减小头显的尺寸。

图4：第一种偏振光学架构（拉鲁萨，1969年5月），既是直接VR视图（左）（pancake式VR镜头概念的起源），又是AR组合器（右）。

自1969年以来，已经对pancake偏光镜片进行了研究，以增加镜片的功率而不增加其体积和重量。有人提出了在直接视角VR模式或AR模式下的空中架构（见图4）。如今，大多数pancake设计都是胶合的或使用双透镜，而不是单面。

偏光光学体系结构（例如pancake透镜配置）带来了新的挑战，例如偏光鬼影管理以及实现低双折射塑料（铸造和热退火而不是注塑）的工艺开发，而所有这些均以消费者层面的成本（请参阅VR） DloDlo的眼镜，China）。弯曲的显示平面可以提高pancake透镜显示器的质量（像E-magin OLED VR原型中那样通过使用致密的抛光凸面玻璃纤维板）。值得注意的是，现在有光学材料供应商降低了原始光学材料的成本和重量。还有其他一些有趣的镜头堆栈概念，它们适用于小型VR头显, （例如Luci (Santa Clara, CA), a division of HT Holding, Beijing),使用4K mu-OLED微显示面板（3147 PPI）和每只眼睛四个独立的光学镀膜镜片.

最近其他有趣的光学替代方案也在被研究，例如多径透镜，它们提供了较小的外形尺寸并在FOV上保持高分辨率。该概念有点类似于基于MLA的光场显示（由1908年诺贝尔奖得主积分成像的Gabriel Lippmann提出）。但是，在这种情况下，MLA阵列减少为两个或四个透镜。它使用多个单独的显示（两个，在图3中为第三个情况），每个显示一个局部图像，然后在眼睛接近最佳eye relief时融合。当将此体系结构扩展为使用诸如MLA中的大量镜头时，该体系结构接近Lusovu（葡萄牙）Lisplay体系结构或Nvidia NTE Light Field VR显示体系结构（图3的最右边）。Ronald Azuma小组通过用定制的异类小透镜的弯曲微透镜阵列代替传统的大型光学器件，并将它们放置在弯曲显示器的前面，证明了ThinVR方法可以以紧凑的外形尺寸在头戴式VR显示器中提供180度的水平FOV，同时解决了VR显示器中的两个关键参数：体积和有限的FOV。图5展示了ThinVR的原型，以及原型中的VR效果照片。图 6展示了MLA和右眼显示器的比例图（左）以及MLA的实物照片，图7展示了ThinVR和小π 8K的光学引擎尺寸的对比。

图5 ThinVR原型。 右：在实际ThinVR原型中拍摄的照片，覆盖了一只眼睛的整个FOV（水平约130°）

图6左：圆柱小透镜和右眼显示器的比例图，右：制造的小透镜阵列的照片。

图7：减小体积：比较ThinVR原型（底部）和Pimax（顶部）的核心光学元件和显示组件。 

3. 总结

本文介绍了各种新颖的VR镜头配置，这些配置可以减小镜头的尺寸和重量，以通过减小镜头与显示器之间的距离来增加FOV或减小整体尺寸，或者同时进行两者。这种镜头配置也可以在经过一些修改的情况下用于AR和透视MR系统中。

图8总结了从单个透镜到单个复合透镜再到复合透镜阵列再到微透镜阵列的连续过程，以及它们在产品或原型中的实现。许多VR和AR公司正在研究这些架构的各种组合。

图8从单个镜头到MLA阵列的镜头架构连续体，以及VR中的实现示例。

参考文献

[1] www.kessleroptics.com/wp-content/pdfs/Optics-of-Near-toEye-Displays.pdf (slide 15)
[2] www.dlodlo.com/en/v1-summary 

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