近期，光學研發(fā)公司Hypervision對蘋果Vision Pro的光學設計進行了詳細的設計分析，探討了蘋果Vision Pro（簡稱AVP）使用的Micro-OLED或Meta等大多數其他公司使用的LCD方案能否支持每度60像素的高分辨率、角度分辨率和寬視場角。

由于現(xiàn)有顯示器像素不足（暫且不提計算能力），提高圖像分辨率一直是VR行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一。業(yè)內一個普遍的目標是獲得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頭顯具有最高分辨率，它采用索尼公司的4K Micro-OLED顯示屏和最佳商用Pancake光學器件，達到了約40 PPD的分辨率。

經過長時間的發(fā)展演變，目前有兩種領先的視覺引擎方法：（1）基于Micro-OLED的Pancake光學器件；（2）基于Fast LCD的Pancake光學器件。

盡管市面上的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產品?；蛟S對于一部分用戶來說，頭顯采用何種技術并不重要，而基于FOV和PPD所帶來的沉浸感才是決定性因素。因此，要達到下圖所示的60 PPD和寬視場角，哪類方案更加合適？

人們相信這種Micro-OLED將實現(xiàn)最緊湊、高分辨率的VR系統(tǒng)，最終達到60 PPD的目標。但人們往往忽視了它的缺點，例如價格高、視場角（FOV）小和eyebox最小。下圖顯示了Fast LCD（左）和Micro-OLED（右）之間的差異：

該鏡頭包括兩個表面，其光學功率分別為L1（50%鏡面的焦距f1）和L2（反射偏振鏡面的焦距f2），兩者之間的距離為a。如果顯示屏與L2的光學后焦距（BFL）為b=BFL-a，則虛擬圖像位于無限遠處（準直），如綠色光線所示。如果將顯示屏移近鏡頭，即b<（BFL-a），則虛像會移近觀察者，如藍色光線所示。在這種情況下，圖像是由發(fā)散光線形成的。如果圖像離眼睛不是太近，眼睛就能適應并看到清晰的圖像。

最后，如果顯示屏離鏡頭更遠，即b>（BFL-a），虛擬圖像會移動到觀察者的后面，如紅色光線所示。圖像是由會聚光線形成的。眼睛永遠無法適應會聚圖像，圖像永遠是模糊的。

焦距F的計算公式為1/F=1/f1+1/f2-a/（f1*f2），由兩個薄透鏡組成的后焦距（BFL）相隔距離為a：BFL=f1(a-f2)/(a-(f1+f2))。利用上述公式，我們可以計算出參數a、b、f1和f2所定義系統(tǒng)的虛像位置。

假設虛像的位置設定在觀察者前L0 = 2米處?？紤]到兩個Pancake鏡頭：一個用于Micro-OLED，另一個用于Fast LCD。對于第一種情況，讓我們采用接近AVP鏡頭的參數；對于第二種情況，考慮采用焦距為25毫米、假設像素尺寸為11微米的透鏡，以達到與AVP相同的PPD?；贔ast LCD的HO140視覺引擎的其余參數是保密的。

讓我們模擬a和b參數在+/- 0.2毫米范圍內的制造公差，并計算可能的虛擬圖像位置圖。下圖顯示了為Micro-OLED（左側）和Fast LCD（右側）設計的鏡頭的虛擬圖像位置圖（單位：毫米）。圖中的藍色區(qū)域對應的是負圖像距離，即圖像位于用戶身后，看起來比較模糊。例如，我們可以看到，如果Pancake鏡頭中的兩個折疊面之間的距離過遠，圖像距離就會變成負值。

此外，我們還可以看到，對于Micro-OLED鏡頭來說，a和b的誤差小于0.1毫米就足以使圖像距離進入藍色區(qū)域。另一方面，對于Fast LCD鏡頭來說，即使元件定位誤差高達0.1毫米，圖像也能始終保持清晰。Fast LCD鏡頭的容差靈敏度較低，是因為其焦距較長。

通常，VR光學系統(tǒng)投射的虛擬圖像距離用戶1米至2米。頭顯制造商選擇這個距離是為了減少視覺輻輳調節(jié)沖突。由于制造公差，頭顯光學模塊中的顯示屏與鏡頭的距離比設計所需的距離更遠，那么虛擬圖像就會離用戶更遠。同樣，如果VR Pancake鏡頭（反射偏振鏡和半反射鏡）的光折疊表面之間的距離大于設計值，虛擬圖像也會遠離用戶。

通常，這種圖像偏移是有限的，眼睛可以適應不同的距離，并且可以看到清晰的圖像。但是，如果鏡頭設計對公差過于敏感，虛擬圖像可能會移動得太遠，甚至到無限遠。這意味著虛擬圖像位于用戶的背后，而進入用戶眼睛的光線是會聚的。人眼永遠無法適應這種清晰的圖像，因此，用戶看到的圖像是模糊的。

我們進行了公差分析，以實現(xiàn)理論上的6K、2.56" Fast LCD與6K 1.4" Micro-OLED在商業(yè)質量制造工藝下最大角度分辨率。我們模擬了：（1）我們的HO140視覺引擎（基于Fast LCD）與（2）逆向工程的AVP視覺引擎（基于Micro-OLED），如下所示：

在進行鏡頭公差分析時，鏡頭設計參數可以在制造公差定義的特定范圍內變化。同時，為了補償設計參數偏離標稱值時透鏡性能的下降，可以引入補償器。補償器是一個可以改變的參數，在設計受到制造誤差干擾的情況下，它可以優(yōu)化鏡頭的性能。

在我們的分析中，我們假定眼睛的的調節(jié)范圍可以在0.5米到5米之間變化，并可以作為這樣的補償作用。當然，在觀看虛擬圖像時，眼睛會自動嘗試調節(jié)以獲得盡可能清晰的圖像。

報告結論：AVP圖像模糊或是由于鏡頭制造誤差造成的

鏡片厚度和位置的制造誤差會導致虛擬圖像的偏移，而鏡片表面形狀的誤差（不規(guī)則性）則會使圖像變得模糊，即使它處在正確的位置。這兩個過程的某種結合可能導致某些AVP的圖像模糊（或所謂的“紗門效應遮蔽”）。蘋果正在為下一代AVP招聘一名高級精密光學制造工程師（截至2024年6月），或許也證明了：AVP圖像模糊是由于鏡頭制造誤差造成的這一結論。

由于蘋果對光學制造精度的重視，下一代蘋果的MR光學系統(tǒng)肯定會有所改進。不過，基于Micro-OLED和非“精密光學”質量等級的視覺引擎未來是否會支持60PPD還存在疑問。由于Fast LCD的成本大大降低，加上更大的FOV、eyebox和擁有能達到60PPD的能力（此外，背光升級解決了視覺輻輳調節(jié)沖突并提高了亮度），我們相信幾年后Fast LCD將成為MR的主流技術。

Karl Guttag：AVP的光學器件是“不穩(wěn)定”的

根據Hypervision的這份報告，Karl Guttag表示可談論其中的一些要點。他之前的文章首次提出：顯示了相同的視場角，將AVP與Meta Quest 3（簡稱MQ3）高分辨率圖片比較后，AVP更加模糊的問題。

Karl Guttag最近一直在通過Bigscreen Beyond（簡稱BSB）的頭顯獲取圖像，并決定將其與相同的測試（上圖）進行比較。就光學清晰度而言，它介于AVP和MQ3之間。有趣的是，在拍攝這些裁剪圖的鏡頭光學最佳部分，BSB頭顯的角分辨率（約為每度32像素）略低于AVP（約為每度40像素）。然而，BSB上的文字和線條圖案比AVP上的效果更好。

AVP采用了非常先進和復雜的Pancake光學器件，外形緊湊，同時支持寬視場角和相對較小的Micro-OLED。其他大多數Pancake光學器件都有兩個元件，它們與偏振片和四分之一波片的平面相匹配，用于操縱偏振光，使光線兩次通過光學器件（見下圖左側的Meta示例）。蘋果的三層透鏡光學器件更為復雜，帶有弧形偏振片和四分之一波片（下圖右側）。

Karl Guttag根據對AVP如何根據眼動跟蹤動態(tài)調整色差等光學缺陷的研究來看，AVP的光學器件是“不穩(wěn)定”的，因為如果沒有動態(tài)校正，這些缺陷就會顯得更加嚴重。

正如Hypervision所指出的問題那樣，由于半導體制造的限制（光刻機限制），Micro-OLED長期以來無法做得更大。他們認為，實現(xiàn)~60PPD和~140度FOV的唯一路徑是使用2.56英寸LCD顯示屏。LCD向更小像素的自然發(fā)展趨勢將使其分辨率高于其光學器件所能支持的分辨率。

Hypervision證明了一個觀點，即目前采用Pancake光學器件的Micro-OLED設計已經突破了價格合理的光學器件的極限。

AVP之所以出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象，可能是因為它已經超出了可制造設計的極限。那么自然而然的問題是，如果AVP已經存在問題，他們如何能支持更高的分辨率和更寬的視場角？

Micro-OLED的尺寸受限于芯片尺寸，對角線上的尺寸約為1.4英寸以上，至少在不采用多個掩模版“拼接”的情況下是如此（這是可能的，但對于高性價比設備來說并不實際）。要提高Micro-OLED的分辨率，像素必須更小，這就要求光學器件的放大倍數更大。然后，要增加視場角，就需要對更小的像素進行更多的光學放大。

LCD也存在問題，尤其是黑電平和對比度。具有局部調光功能的小型照明LED可能會有所幫助，但事實證明它們的效果不如Micro-OLED。

原文鏈接：

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/