何謂虛擬實境光學？

虛擬實境光學元件的定義

虛擬實境 (VR) 光學元件包含 VR 系統中的專門元件，可為使用者創造沉浸式視覺體驗。範例包括：

• 用於場景模擬的原始資料擷取相機
• 用於手套和服裝中以傳送和接收資料的光纖
• 產生 3D 感知的頭戴式顯示器 (HMD)
• 沉浸式和半沉浸式投影顯示器
• 追蹤使用者及其眼睛動作的感測器。

目前，最受關注的虛擬實境光學元件是頭戴式顯示器 (HMD)，也稱為近眼顯示器。

為了讓虛擬實境正常運作，頭戴式顯示器 (HMD) 中必須包含一個光學系統，將影像投射到您眼前的一個顯示器上。

在此光學系統中，頭戴式顯示器 (HMD) 包含光源（顯示器）、接收器（眼睛）和光學元件（鏡片）。

• 頭戴式顯示器 (HMD) 中的光源是微顯示器，例如有機發光二極體 (OLED) 或液晶顯示器 (LCD)。雙目頭戴式顯示器通常有兩個顯示器，為每隻眼睛提供獨立影像，並透過立體視覺產生 3D 感知。在全像頭戴式顯示器中，光源是來自空間光調變器 (SLM) 的調變同調光。
• 頭戴式顯示器 (HMD) 中的接收器是使用者的眼睛。
• 光學元件從光源收集光線，並產生 3D 虛擬世界的渲染影像。理想的虛擬實境頭戴式顯示器 (VR HMD) 必須能夠在寬廣的視野 (FOV) 內提供高解析度影像，同時支援 3D 感知的調節線索，並具有大出射瞳 (eyebox) 和精巧的外形尺寸 [2]。

圖 1. 虛擬實境頭戴式顯示器 (VR HMD) 結構。來源：https://news.skhynix.com/the-world-shaped-by-semiconductors-virtual-reality-in-glasses/. [3]

頭戴式顯示器 (HMD) 最重要的要求之一是良好的人體工學設計，這表示頭戴式裝置在長時間使用下應舒適佩戴和觀看。為了佩戴舒適，頭戴式裝置應精巧輕便。理想情況下，其重量和尺寸不應超過一副眼鏡。為了觀看舒適，頭戴式裝置應根據使用者的頭部位置和凝視點提供適當的視點。頭戴式裝置還應具有足夠的眼部間隙、足夠大的瞳孔尺寸以允許自然的眼球運動、適當的瞳孔間距 (IPD)，以及低散開度和垂直分離度。

頭戴式顯示器 (HMD) 的主要光學設計限制包括瞳孔（出射瞳）尺寸、眼部間隙、散開度、垂直分離度，以及瞳孔間距 (IPD)（請參閱圖 2）。

視野 (FOV) 的重要性

虛擬實境頭戴式顯示器 (VR HMD) 的一個重要設計目標是匹配人類視覺系統的影像特性。考慮到眼球轉動和頭部運動，人眼的視野 (FOV) 垂直方向約為 120 度，水平方向幾乎為 360 度。雙眼可見物體的雙目視野約為 114 度 [5]。

圖 3. 視野圖。來源：https://www.electrooptics.com/analysis-opinion/meeting-optical-design-challenges-mixed-reality. [6]

設計中的像差考量

像差對頭戴式顯示器 (HMD) 影像品質的影響與其他光學系統相似。軸向色差、球面像差、彗形像差、像散和像場彎曲等像差會導致模糊。畸變、彗形像差和橫向色差等像差會引起扭曲。像差控制在虛擬實境頭戴式顯示器 (VR HMD) 光學設計中至關重要。

頭戴式顯示器 (HMD) 設計中的其他因素

頭戴式顯示器 (HMD) 設計的進步，利用了非球面、繞射光學元件 (DOE)、全像光學元件 (HOE)、可調式透鏡和塑膠光學元件。

• 非球面有助於控制透鏡像差並減少元件數量。
• DOE 提供有趣的色散特性，在正透鏡中具有負色散。
• HOE 具有小尺寸，可像分光鏡一樣運作。
• 可調式透鏡可以擴展景深範圍。
• 塑膠元件成本低廉且重量輕。

儘管您可以使用這些先進技術來改善 VR 裝置的眼盒尺寸和視場角 (FOV)，但這通常會犧牲尺寸。為緩解此問題，新的發展方向包括整合眼動追蹤的頭戴式顯示器、多焦/變焦顯示器、遮蔽顯示器、全像顯示器和光場顯示器。

光學設計軟體是設計 VR 光學元件的重要工具。高品質的 VR 光學系統設計需要多種類型的軟體：

• 光學工程師需要軟體來建立並最佳化成像系統、分析光路中的雜散光，以及設計繞射光學元件。
• 機械工程師需要 CAD 軟體套件來繪製系統佈局並執行熱分析和結構分析。
• 電氣工程師可能需要軟體來追蹤眼球運動並將訊號傳送至光學系統。

Keysight 提供一套完整的工具來模擬 AR/VR 裝置。

以下是使用光學設計軟體設計光學系統的工作流程：

• CODE V 光學設計軟體可以追蹤光線穿過光學系統，最佳化系統以減少像差、降低失真並提高解析度。
• LightTools 照明設計軟體可以模擬照明、雜散光和鬼影。LightTools 還可以最佳化照明均勻度。雜散光可能會導致影像偽影和亮點。

繞射光柵將光耦合到波導板中，並將光從板中耦合到眼睛。您必須正確設計光柵，以便光學系統產生良好的影像。您可以根據繞射角、效率等，以任何級次或級次組合來設計和最佳化光柵。

若要設計光柵，您可以使用 Keysight RSoft Photonic Design 工具：

• DiffractMOD RCWA 是一種非常高效的工具，可嚴謹計算橫向週期性裝置的繞射特性。
• FullWAVE FDTD 是另一種強大工具，可嚴謹計算橫向週期性裝置的繞射特性。
• RSoft CAD Environment 中的 MOST 最佳化提供了一種便捷方法，可使用 FullWAVE 或 DiffractMOD 最佳化光柵。

光柵建置完成後，您可以將 雙向散射分佈函數 (BSDF) 資訊和佈局檔案直接匯出到 LightTools，以定義表面特性。RSoft BSDF 檔案包含表面（薄膜、圖案等）如何散射光線的資訊，包括所有繞射特性。

在 VR 中，顯示器只需輸出模擬環境。在 擴增實境 (AR) 中，顯示器通常是透視的，以結合模擬環境與真實環境。

VR 與 AR 光學元件之間存在一些差異：

• 首先，AR 需要高亮度顯示器，特別是在戶外和手術室等明亮環境中。
• 其次，對於 AR 的透視型頭戴式顯示器 (HMD) 而言，雙眼輻輳角應小於 1 到 3 弧分。
• 最後，透視型 HMD 通常採用摺疊式設計，以實現寬廣的視場角 (FOV) 和輕巧的外形尺寸。透視型 HMD 必須整合光學組合器，以結合來自虛擬場景的反射光和來自真實世界物體的透射光。原型設計通常使用分光鏡作為組合器。全像光學元件 (HOE) 可以縮小組合器的外形尺寸，因為它們輕薄扁平，並且可以像分光鏡一樣針對特定波長發揮作用。

• 教育與訓練： 軍事飛行模擬和戰場作戰訓練、手術和緊急情況的醫療訓練，以及病患教育，均整合 VR，以幫助個人體驗程序並了解預期情況。VR 也支援遠距學習，透過重新創建教室環境或歷史場景，並在博物館中提供沉浸式體驗。
• 工程： VR 協助 3D 設計和虛擬原型製作，使工程師能夠在實體開發之前視覺化和完善產品。

• 社交互動與商務： VR 實現與同事或客戶的虛擬互動，為線上購物提供展示間，並為房地產導覽提供 3D 體驗。
• 娛樂： VR 透過讓使用者沉浸在互動環境中，提升遊戲體驗和旅遊感受。
• 醫療復健與遠端手術： VR 支援心理暴露療法、針對阿茲海默症等病症的復健，以及遠端手術程序。