菲涅爾透鏡由蝕刻在塑料中的一系列同心槽組成。憑借超薄而輕巧的結(jié)構(gòu)、大小尺寸可選以及卓越的聚光能力，它們可適用于各種各樣的應(yīng)用，其中就包括VR。至今日，該透鏡仍舊廣泛應(yīng)用于行業(yè)一流的設(shè)備之中，比如索尼的PS VR2、大朋的大朋E4等。

誕生二百年后，為何菲涅爾透鏡還能夠被選入一流VR頭顯設(shè)備之中？它能夠在光學(xué)方案中發(fā)揮怎樣的作用？相比另一主流鏡片——Pancake，菲涅爾透鏡又具備怎樣的優(yōu)勢(shì)與獨(dú)特性？

亮度、“雙目重疊”的視覺(jué)影響

在應(yīng)用于VR之前，菲涅爾透鏡最常見(jiàn)的用途是——收集太陽(yáng)光。

得益于出色的光線(xiàn)收集特性，菲涅爾透鏡能夠以更高的效率收集太陽(yáng)光，集合成能量更高、亮度更大的光線(xiàn)。而這一特點(diǎn)在VR光學(xué)方案之中得到了重用。

想要讓VR內(nèi)屏呈現(xiàn)出的可視內(nèi)容足夠清晰，除了清晰度、分辨率等參數(shù)要求較高之外，更需要足夠的亮度支撐。在這一點(diǎn)上，目前Pancake仍未進(jìn)化到合理范圍，光學(xué)利用率僅有10%-20%，采用該光學(xué)方案的VR（一體機(jī)為主）大多容易出現(xiàn)圖像暗淡、模糊不清的現(xiàn)象。

而采用了菲涅爾透鏡的VR設(shè)備，例如大朋E4，在亮度方面就比較讓人放心。

在VR游戲中常常會(huì)出現(xiàn)背景較暗的情況，如果無(wú)法提供較高的亮度，很容易造成可視度差的問(wèn)題，影響游玩體驗(yàn)。Pancake如果想要彌補(bǔ)該缺點(diǎn)，就只能采用成本較高的硅基OLED，最終價(jià)格之高也有目共睹。

亮度之外，“雙目重疊”對(duì)于視覺(jué)體驗(yàn)也有著一定加持，尤其在沉浸感、用眼疲勞度等方面影響顯著。

所謂“雙目重疊”，指的是雙眼立體視覺(jué)系統(tǒng)的重疊部分，應(yīng)用于VR中則能夠讓體驗(yàn)者在虛擬空間中具備分辨“遠(yuǎn)近深淺”的能力，進(jìn)一步提升沉浸感。

目前，市面上的VR主要應(yīng)用“完全重疊”和“部分重疊”兩種雙目重疊方式，對(duì)于光損高、視場(chǎng)角偏小的Pancake來(lái)說(shuō)，大部分采用視角廣、縱橫比優(yōu)越的“部分重疊”彌補(bǔ)缺陷，但這種重疊方式也容易造成“雙眼競(jìng)爭(zhēng)”，增加眼睛負(fù)擔(dān)。

而大朋E4所選用的菲涅爾透鏡則不需要有這種擔(dān)心，直接選用“完全重疊”方案，，讓使用者雙眼都看到完全相同的內(nèi)容，無(wú)需融合、無(wú)需加工，降低用眼疲勞，保障畫(huà)面真實(shí)感。

在Youtube上擁有數(shù)萬(wàn)訂閱者的VR老炮MRTV（MIXED REALITY TV）在體驗(yàn)過(guò)大朋E4后，就曾表示“你們的頭顯（大朋E4）擁有我所見(jiàn)過(guò)的所有頭顯之中最棒的雙目重疊性能。”

除上述區(qū)別外，菲涅爾透鏡在沉浸感、代入感的重要影響因子——視場(chǎng)角（Fov）上也有著顯著優(yōu)勢(shì)。

極為接近人眼的116°視場(chǎng)角

一般來(lái)說(shuō)，視場(chǎng)角越大，將更貼近真實(shí)視野，帶來(lái)更高的沉浸感和代入感，達(dá)成VR的核心使命，對(duì)于任何一臺(tái)VR來(lái)說(shuō)都是重中之重的性能參數(shù)。Pancake光學(xué)方案由于鏡片較多，除了影響光學(xué)效率外，還會(huì)導(dǎo)致理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的視場(chǎng)角更加有限，上限更低。這也就很好解釋市面上大多采用Pancake的一體機(jī)，視場(chǎng)角基本都在90°-105°區(qū)間內(nèi)浮動(dòng)。

也正因如此，在PS VR2剛剛發(fā)售時(shí)外媒AV Watch的采訪(fǎng)中，PS VR2開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人Yasuo Takahashi對(duì)于“為什么采用菲涅爾透鏡而非Pancake”的問(wèn)題回答稱(chēng)：“在光學(xué)設(shè)計(jì)上，PS VR2的重點(diǎn)是拓寬視場(chǎng)角。PS VR1的水平視場(chǎng)角為100°，而PS VR2將這一數(shù)值提升到110°?！狈颇鶢柾哥R沒(méi)有Pancake的視場(chǎng)角上限限制，理論上可以達(dá)到一個(gè)非常高的水準(zhǔn)，而大朋E4的視場(chǎng)角可達(dá)116°，已經(jīng)非常接近人眼的120°自然視場(chǎng)角。

因此，大朋E4所呈現(xiàn)的視覺(jué)體驗(yàn)也是質(zhì)量極高的。在佩戴大朋E4游玩大部分VR游戲過(guò)程中，幾乎都無(wú)法看到視野邊框，像是真的身處另一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界。

當(dāng)然，有得必有失。在獲得更高的視場(chǎng)角時(shí)，也將出現(xiàn)“畸變”這一視覺(jué)體驗(yàn)摧毀者。為此，大朋E4在算法層面也作出了諸多努力，通過(guò)計(jì)算視線(xiàn)焦點(diǎn)、屏幕映射點(diǎn)等多個(gè)維度的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)一系列精密計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)“反畸變”處理，畸變度近乎0值。

還有菲涅爾透鏡最常被詬病的重量問(wèn)題，大朋E4也做了相應(yīng)調(diào)整，去除了不改變光路的部分結(jié)構(gòu)，最終將主機(jī)重量削減至285g，讓玩家頸椎負(fù)擔(dān)更輕，游玩體驗(yàn)更舒適。

總的來(lái)說(shuō)，采用菲涅爾透鏡的大朋E4基本克服了菲涅爾自身存在的部分缺陷，并將其高光學(xué)效率、高視場(chǎng)角等優(yōu)勢(shì)予以放大，最終帶來(lái)了更為出眾的視覺(jué)體驗(yàn)。

除此之外，大朋E4還配備了夏普定制5.46英寸Fast-LCD屏幕，能夠提供4K分辨率和120Hz刷新率，并利用DP直連傳輸?shù)蛽p耗、低延遲的特性予以保全。

飛行駕駛游戲老饕——B站UP“Diablohu”就曾在一期視頻中提到，對(duì)比某款主流一體機(jī)（采用Pancake），大朋E4能夠清楚地看到儀表盤(pán)上暗紅色的字符內(nèi)容，并未出現(xiàn)模糊、暗淡的情況，除了菲涅爾鏡片的亮度加持外，直連的無(wú)損傳輸也起到了關(guān)鍵作用，讓4K原生畫(huà)質(zhì)得以呈現(xiàn)。

除此之外，再搭配毫米級(jí)精度手柄和7000+款可適配Steam VR游戲庫(kù)，成為了名副其實(shí)的“VR游戲利器”，足夠玩家們暢玩3A大作，享受虛擬世界的探索快樂(lè)。

據(jù)RoadtoVR報(bào)道，索尼近日透露PSVR 2配置了菲涅爾透鏡及兩個(gè)獨(dú)立顯屏，與傳統(tǒng)鏡頭相比，菲涅爾透鏡具有一系列光學(xué)優(yōu)勢(shì)，但也會(huì)產(chǎn)生額外的偽像，如“神光”和邊緣眩光，為應(yīng)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，索尼提出了相關(guān)解決方案，這使得PSVR 2可能是首款真正消除“神光”（god rays）的VR頭顯。

2020年索尼授權(quán)的一項(xiàng)專(zhuān)利提出了“制造可以抑制‘神光’的菲涅爾透鏡的方法”，該專(zhuān)利指出在菲涅爾透鏡的表面添加一個(gè)“光吸收部”（并不會(huì)對(duì)透鏡整體形狀產(chǎn)生影響），理論上，這將阻止光線(xiàn)散射從而減少“神光”，專(zhuān)利還顯示了光吸收部的幾種排列方式，其既可位于鏡片表面上，也能嵌入鏡片。

不僅如此，專(zhuān)利提出了幾種制造下一代菲涅爾透鏡的方法，其中之一涉及在整個(gè)鏡頭表面應(yīng)用“遮罩”（以阻擋光線(xiàn)），隨后基于某種曝光技術(shù)，以消除“神光”。

另一種方法建議從已經(jīng)成型的光吸收材料入手，在其周?chē)苄瓮哥R，以使透鏡脊與光吸收結(jié)構(gòu)正好對(duì)齊，這顯然是一個(gè)有趣的構(gòu)思，目前，市面上還沒(méi)有一款此類(lèi)型VR頭顯。

諸如索尼等大型公司通常會(huì)在產(chǎn)品面世之前申請(qǐng)大量專(zhuān)利，盡管這其中許多專(zhuān)利并未被應(yīng)用，因此現(xiàn)在很難定論P(yáng)SVR 2是否應(yīng)用下一代菲涅爾透鏡，但至少知道索尼為應(yīng)對(duì)VR頭顯菲涅爾透鏡所產(chǎn)生的“神光”問(wèn)題而申請(qǐng)了專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)利，這也讓我們對(duì)這款預(yù)計(jì)在今年推出的全新VR頭顯非常期待。

據(jù)RoadtoVR報(bào)道，PSVR 2官方產(chǎn)品頁(yè)面確認(rèn)了這款頭顯光學(xué)元件及顯示屏的最新細(xì)節(jié)，而官網(wǎng)的推出則表明了PSVR 2即將面世的事實(shí)。

上個(gè)月，索尼分享了PSVR 2首批可靠規(guī)格，如今官網(wǎng)透露PSVR 2將采用菲涅爾鏡片，與PSVR采用的非球面非菲涅爾透鏡相比，這是一個(gè)相當(dāng)大的變化。

菲涅爾透鏡使用同心脊將透鏡的幾何形狀濃縮成更薄的封裝，從而減小尺寸和重量，這可以使透鏡實(shí)現(xiàn)光學(xué)特性，然而，菲涅耳透鏡也會(huì)產(chǎn)生額外的偽像，如“神光”和邊緣眩光。

除了菲涅爾透鏡，官網(wǎng)還證實(shí)，PSVR 2將擁有兩個(gè)獨(dú)立顯示屏，我們已經(jīng)知道PSVR 2單眼分辨率為2000×2040，但此前并不知道是以單個(gè)分辨率為4000×2040顯示屏的形式、還是兩個(gè)2000×2040分辨率顯示屏呈現(xiàn)，而將顯示屏一分為二意味著PSVR 2的IPD調(diào)節(jié)具有更大的靈活性。

因此，當(dāng)用戶(hù)調(diào)整IPD時(shí)，顯示屏將和鏡頭一起移動(dòng)，這使得PSVR 2擁有更寬的IPD范圍，從而支持用戶(hù)將鏡片調(diào)節(jié)到理想位置。

盡管官方并沒(méi)有透露PSVR 2具體IPD范圍值，但官方提到了“調(diào)整表盤(pán)”，這說(shuō)明該范圍將是連續(xù)的而不是離散的。

值得一提的是，PSVR 2官網(wǎng)還提供了注冊(cè)功能，以便注冊(cè)用戶(hù)在PSVR 2預(yù)購(gòu)上線(xiàn)時(shí)收到通知，盡管官方還沒(méi)有公布PSVR 2上市日期，但種種跡象表明這款頭顯將在今年面世。

天風(fēng)國(guó)際分析師郭明錤今天對(duì)蘋(píng)果VR頭顯做出了新的預(yù)測(cè)。在報(bào)告中，郭明錤指出：蘋(píng)果將在2022年中期推出VR頭顯，其鏡片將會(huì)采用菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 作為超短焦鏡頭的設(shè)計(jì)方案，以提升可視角 (Field of view；FOV) 并降低頭顯重量與厚度。

蘋(píng)果為了提高菲涅爾透鏡的光學(xué)效能，將采用混合型菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)，而每一組混合型 (Hybrid) 菲涅爾透鏡由3片菲涅爾透鏡堆疊而成；由于蘋(píng)果VR頭顯采用的Micro-OLED微顯示屏具備高亮度的特點(diǎn)，可補(bǔ)償采用混合型菲涅爾透鏡造成的進(jìn)光量減少問(wèn)題，并為使用者提供創(chuàng)新的VR體驗(yàn)。

目前VR頭顯普遍采用菲涅爾透鏡 ，然仍有很大改善空間。

1.為了提升FOV與降低重量與厚度，目前VR 頭顯普遍均采用菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)，作為超短焦鏡頭設(shè)計(jì)方案。然而，目前VR頭顯重量普遍仍為300–400克或以上且外觀(guān)仍厚重，故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍有很大改善空間。

2.對(duì)穿透式影像的AR頭顯與VR頭顯而言，透過(guò)超短焦鏡片/菲涅爾透鏡達(dá)到輕薄設(shè)計(jì)為關(guān)鍵設(shè)計(jì)趨勢(shì)，但此設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也與配備的顯示器、光學(xué)材料、散熱、生產(chǎn)等有關(guān)。天風(fēng)國(guó)際認(rèn)為，解決此復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)是未來(lái)穿透式影像AR頭顯與VR頭顯的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)之一。

3.因穿透式影像的AR頭顯關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)非提供沉浸式體驗(yàn)，故對(duì)FOV的規(guī)格要求普遍低于VR頭顯，此更有利輕薄外觀(guān)設(shè)計(jì)。此外，就目前穿透式影像的AR頭顯與VR頭顯而言，需要多少FOV才足夠仍尚未有定論，故如何在FOV與體積重量間取舍為關(guān)鍵設(shè)計(jì)議題之一。

蘋(píng)果VR頭顯將會(huì)采用菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 作為超短焦鏡頭的設(shè)計(jì)方案。

1.此設(shè)計(jì)目的在於提升FOV與降低重量與厚度。蘋(píng)果為進(jìn)一步提高菲涅爾透鏡的光學(xué)效能 (如：改善暗角與光學(xué)偽影等)，將采用混合型菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)，而每一片混合型菲涅爾透鏡是由3片菲涅爾透鏡堆疊而成。

2.蘋(píng)果的設(shè)計(jì)將能在FOV與頭顯重量與體積取得更好的平衡點(diǎn)。

3.在2021與2022年，將陸續(xù)會(huì)有重量150克左右或略低的新款頭顯進(jìn)入商業(yè)化量產(chǎn)。天風(fēng)國(guó)際預(yù)測(cè)，蘋(píng)果的VR頭顯重量也將會(huì)在150克以下，以維持產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

揚(yáng)明光與玉晶光將成為蘋(píng)果菲涅爾透鏡的供應(yīng)商。因揚(yáng)明光與蘋(píng)果開(kāi)始合作與投入資源的時(shí)間較玉晶光早，故可能為主要供應(yīng)商。

1.因單片混合型菲涅爾透鏡 (給單眼使用) 是由3片菲涅爾透鏡堆疊，故每個(gè)蘋(píng)果頭顯將使用2片混合型菲涅爾透鏡，也就是共6片菲涅爾透鏡。

2.蘋(píng)果頭顯菲涅爾透鏡材質(zhì)為塑膠。因采用客制化材料與鍍膜，故透光性不低於玻璃。這也意味著ASP不低。

3.預(yù)測(cè)揚(yáng)明光為主要供應(yīng)商。

來(lái)源：天風(fēng)國(guó)際