综述元宇宙之眼镜光学原理

当我们拿到一款VR眼镜时，最先体会到的往往是视觉效果。但对于视觉效果，很多用户的了解仅限于视场角(FOV)。在选购VR眼镜时，用户往往认为视场角越大越好。其实对于一款VR眼镜，视场角只是视觉体验中的一方面，还有很多其他因素决定了一款VR眼镜视觉体验的好坏。

既然视场角是VR眼镜最直观的指标，那么我们还是从视场角说起。

视场角，英文为Field Of View, 简称FOV。在显示系统中，视场角就是显示器边缘与观察点连线的夹角。以下面两个图来说明：图1中AD、BC两条屏幕边缘和人眼所形成的夹角就是水平视场角：

同理，AB、DC上下两条屏幕边缘和人眼形成的夹角就是垂直视场角；另外也可以像图2一样定义对角线视场角，DOB三点形成的夹角就是对角线视场角。

在VR眼镜中，所有的图像都是从屏幕发出，通过一片透镜后呈现在用户眼中的。VR厂商所宣称的视场角，指的是VR眼镜中镜片的视场角。比如下图，我们在观看VR时，上下转动眼球，所能看到的屏幕投射过来的经过透镜折射后最高和最低两条光线的夹角，就是VR产品所定义的视场角。

透镜是VR眼镜中必不可少的一个器件。为什么一定要透过透镜才能观看呢？因为人眼是有一个观看范围的。对于一个正常视力的人来说，能够看清的距离大约是从14cm到无穷远；而对于近视眼来说，这个范围则被拉近并且减小了。比如对于500度近视的人来说，他能看清的范围大约在8cm到20cm之间，我们把这两个点分别称为近点和远点，过近或过远都无法看清。

因为这个原因，我们在使用VR眼镜的时候，也需要把屏幕放在这个有效的观看范围内才能正常观看。而通常VR眼镜中，屏幕距离我们眼镜的距离只有3-4厘米，远小于正常的近点距离，所以需要通过一片凸透镜折射光线，让屏幕上的图像形成一个更大更远的虚像。这个虚像在我们可以有效观看的范围之内。

透镜的另一个作用就是将原本5-6英寸的手机屏幕放大几百、上千英寸，形成一个巨幅的画面。VR所宣传的沉浸感也来源于此。当戴上VR眼镜之后，隔绝了外界的画面，只剩下一个巨幅的模拟世界的影像在眼前，自然会让人产生一种在另一个世界的错觉。

在VR眼镜中，放大的图像为用户提供了沉浸感，左右分屏显示存在视差的图像则带来了虚拟的3D感觉。人眼在观看物体时，左右眼看到的图像是不完全一样的，我们称之为视差。左右眼看到的带有视差的图像传给大脑，大脑就可以判断这个物体距离我们有多远。越近的物体视差就越明显。这一点我们通过单独用左眼或右眼观看就能发觉。如果物体在我们双眼都能看到的区域，我们可以准确地判断这个物体的距离；而如果我们只依靠单眼去看一个物体，这种距离感往往就没有那么准确。VR眼镜将左右屏幕分开，分别呈现含有视差的左右图像，简单来说就是距离我们不同距离的物体，在屏幕上具有不同的视差。这样在观看时，我们就有了虚拟的3D感觉。