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<（BFL-a），则虚像会移近观察者，如蓝色光线所示。在这种情况下，图像是由发散光线形成的。如果图像离眼睛不是太近，眼睛就能适应并看到清晰的图像。

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 Guttag

Karl 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/

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