文/VR陀螺 豌豆

“我们公司规模小,但研发的产品技术含量高,因而我们需要稳定的供应链关系来确保光学产品的高品质,从不拖欠供应商货款是我们的经营原则之一。”

这一番话令陀螺君印象深刻,多普光电(Toplite)作为一家供应链上的企业,创始人兼首席光学设计师尹勇健对公司的原则非常坚定。虽然年龄接近60岁,但尹勇健作息规律、不加班、热爱运动、生活显得很自律,他也一直要求公司成为不加班的公司,而是通过提高工作专注度和效率来达成工作目标。

光学是VR、AR中的核心版块,尹勇健已在光学领域深耕近40年,面对下一代计算平台,尹勇健带领公司团队研发了两款短焦VR光学方案,VR陀螺也有幸在广州体验到了这两款产品,并与尹勇健以及公司团队核心人员总经理朱伟忠和营销总监邹聪一同探讨短焦VR光学的技术难点以及应用前景。

图源:多普光电

近40年沉淀

团队几乎都是“技术宅”的光学公司

有何来头?

多普光电成立于2003年,至今已有18年的光学设计方案及光学器件研发经验。 对话中,尹勇健表示自己曾在国内某大型国有研究院进行科研工作,后期“下海”开创自己的公司,迄今为止已有近40年的光学设计及研发经验。期间也推出了不少的“小爆款产品”,除此之外,该公司还与供应商之间保持着良好的关系,有着长期稳定的健康的正向资金流。

图源:多普光电

“我们是一家擅长技术和设计的公司,以研发产品为主。合作方都是看上我们的技术才来联系的。”

多普强调以技术实力为核心,保持研发精神和独立性。团队规模虽小但凝聚力更强,其中有7成以上为技术人员,均是长期从事应用光学、精密机械、光谱分析、光度分布测试、精密器件组装调试的精英。

扎实的团队和技术基础,让多普在光学元器件领域多年以来一直保持着稳定的客户,并且客户大多来自海外,也取得了不少傲人的成就,部分产品在全球市场份额达到第一。比如其自研的的非同轴微透镜阵列、棱镜积分阵列,广泛应用于超大功率 LED 和激光光源的聚光、混色、准直系统,全球高端数字灯光企业都是采用的多普光电的光学产品。此外,其还研发了的反射菲涅尔设计,超短焦距聚光,广泛应用于超薄空间、高品质聚光系统。 

多普长期与全球大型专业数字灯光设备制造企业合作,为全球50多个国家的客户提供服务,光学产品涵盖成像光学、投影光学、舞台及影视灯光、LED 封装、超大功率激光应用、特种商业照明等,拥有大量高质量的发明专利。

至于为何要布局VR/AR,该公司总经理朱伟忠提到:“设备装置等产品小型化是必然的发展方向,尤其在电子消费品领域,因此我们认为短焦甚至超短焦的 VR 显示光学架构必将成为 VR 设备的核心硬件技术之一。而随着屏幕技术的不断发展,我们有理由相信短焦或超短焦的 VR 显示光学模组很快将迎来新的爆发。 ”

在高清成像与投影、VR/AR光学显示模组、超短焦/变焦/定焦透镜系统等领域,经过长期的研究和创新,多普开发出了一系列高质量的光学器件和系统。 这样一家在光学领域颇有技术实力和个性的公司,选择了VR这条新航线,那么在产品上又有什么亮点呢?

解决透光率和畸变核心问题,

多普推出两款VR超短焦光学方案

目前VR设备主要采用菲涅尔透镜以及短焦镜头,短焦镜头包含两种方案——折射式光学方案和Pancake折叠光路光学方案。三种方式各有优劣,如果使用菲涅尔透镜的光学方案,成本下降了,然而单透镜成像容易产生畸变、eye box较小,而采用短焦镜头可大幅减小整体设备的体积,已成为未来VR产品的核心发展趋势。

三种光学方案优劣势对比

图源:VR陀螺

关于短焦光学方案上遇到的难点,光学设计师尹勇健主要提到了两点——透光效率和成像畸变,透光率高意味着亮度、清晰度高。因此其推出了两款方案,分别是高透光率的折射式多片透镜成像解决方案,以及单片式折叠光路透镜方案,解决了光效问题,通过精心设置的算法,也解决了成像畸变的问题。

1、折射式多片透镜成像解决方案

首先,为了实现高透光率,折射式多片透镜成像解决方案采用了五层透镜,这是综合了整体设备的体积、显示效果、功耗和人眼适配度来进行设计的。

VR光学镜头参数(图源:多普光电)

一般VR头显中只有一层或者两层透镜,而为何多普要使用五层透镜(包含非球面镜片),尹勇健解释道:摄影爱好者可能更深有体会,同样是长焦镜头,为什么价格相差甚远,某些“大炮筒”售价甚至高达10万,就是因为透镜越多成像效果越好,透镜数量的差别就是成像清晰度的差别。

图源:VR陀螺

光学也是一门艺术,这里涉及到一个小知识点:像差——即实际成像与理想成像的差距。优化镜片组设计、增加更多的透镜或非球面透镜,采用更好的光学玻璃等等也是为了实现像差校正…… 其次在畸变的问题上,尹勇健提出了两种解决方案: 

1、“软处理”,即改变输入到屏幕端的内容的畸变,头部企业普遍会通过对产品的光学畸变参数对内容进行补偿,比如Oculus SDK就有专门的Distortion Mesh内容渲染开发指南。

2、“硬处理”,即对于折射式光学方案,需要多个透镜组合来减小畸变,例如相机镜头就是典型的利用多透镜组合来减小畸变;也可采用折叠光路方案通过减少折射权重增加反射权重来减少畸变。

在现场,VR陀螺体验了折射式多片透镜成像解决方案。其采用了一对多普光电自研的V1高清VR光学镜头,内置2片来自索尼的0．71英寸Micro-OLED显示屏,单屏分辨率为1920×1080(双屏可兼容8K,取决于屏幕自身参数),宽高比为16:9,并配备了驱动PCB板,可通过WiFi或者线缆与手机、PC等连接。

图源:VR陀螺

该光机镜头厚度约30mm,相比现有的VR头显厚度可以缩小一半。

光机镜头长度约30mm(图源:VR陀螺)

光学器件成本高是各大VR厂商头疼的问题,这也是高清VR设备不便宜的原因,影响到最终设备的销售和VR的普及。那么以超短焦为亮点的五层透镜镜头系统实际表现如何,陀螺君现场进行了测试: 分别实拍了观看电影、查看Excel表格环境下的画面表现—— 虽然画面从手机通过WIFI无线投屏到VR眼镜中,画面清晰度、流畅度依然非常高,除了视场角(相对于菲涅尔透镜方案)有点小之外,画面的色彩饱和度、亮度以及清晰度均表现得非常不错;

而在看表格的时候,除了四个角的位置稍微有一些拉伸,其他区域基本毫无畸变。

整体来看,视场角68°不算大,但呈现出来的视觉效果非常清晰且几乎看不出畸变,无论是往哪个方向看都是如此,虚拟屏幕位置约3．5米,眼睛观看没有任何不适感。不过陀螺君发现虚拟屏幕边缘的四个角较为模糊,多普光电表示这是为了实现电影院观影效果,才有意模糊虚拟屏幕四角。

“多数人认为视场角越大越好,市面上的VR产品采用菲涅尔透镜较多,普遍为90°～120°视场角甚至更大,这个产品的光学方案的68°视场角,有什么优势?”

面对陀螺君的提问,营销总监邹聪表示:”一味地宣传其视场角很大是不完全正确的,因为大视场角必须要求很高的屏幕分辨率。能够在整个宽视场角范围都保有一致均匀的、真正符合人眼观看需求的高清晰度分布的技术,暂时还没有应用。另外,大视场角且轻薄紧凑的VR在沉浸感和游戏的体验上是没问题的,但当用于观影等应用时其视觉感受是比较差的。所以视场角和屏幕的关系需要从不同的应用角度来看待。”

“与菲涅尔透镜方案不同,在折射式光学方案中,我们的产品视场角达68°已经是同类产品中做得较大的设计了。我们的这个产品定位是观影类的头显,不是沉浸式游戏类VR设备,目前观影类VR头显视场角都在50几度,畸变在2%以下。沉浸式VR视场角在90-120度之间,畸变多在15-25%左右。”

目前该光机主要面向观影场景的VR设备,未加入陀螺仪、空间定位等功能。