VR視覺模擬整合應用

VR 虛擬實境市場

虛擬實境（VR）裝置的出貨量將在2022年快速成長，預計將帶動市場創造更多虛擬實境的應用內容，2022年有望成為虛擬世界發展大爆發的一年，企圖心最旺的Meta、創新的蘋果、致力發展AR的Google，都準備發布相關新品。

根據TrendForce預估，2021年全球虛擬實境應用內容市場規模達到21.6億美元，至2025將達83.1億美元，年複合成長率40%。TrendForce表示，其中最主要的應用內容仍以遊戲娛樂、影視、社群互動為主。（資料來源: https://udn.com/news/story/6871/6046554）

VR 頭顯顯示技術

VR頭顯透過生成圖像，並直接呈現給相應的眼睛。VR頭顯通常包含兩個微型顯示器（左/右眼），光源圖像會經過光學元件的放大和調整，並顯示在用戶眼前的特定位置上，來產生立體感的錯視效果。最主要的顯示元素是透鏡，透鏡可以欺騙視覺判斷，讓人腦以為面前是一片廣闊的空間，而不是兩英寸大的平面顯示器。要做到這一點，透鏡需要增加焦聚，讓人感覺顯示器好像在無限遠的距離之外。

本文分別使用兩種常見的VR顯示技術，VR Fresnel Lens與VR Pancake來說明如何在軟體上模擬VR的視覺效果。

VR Fresnel Lens技術

Fresnel Lens的原理是透過鏡頭的曲率優化，來產生放大的成像效果，透過Zemax 的OpticStudio的功能，來進行VR透鏡的成像光路系統與透鏡設計。

使用RayTENG二次開發工具，將Zemax的非球面透鏡參數與規格直接導入到SPEOS，SPEOS的Projection Lens功能與Zemax共用非球面參數，因此可以進行面型的完整呈現，而不會有轉檔破面的問題。

SPEOS的Projection LENS的功能，提供Fresnel Mode功能，有Constant Height和Constant Step兩種模式選擇。

VR Fresnel Lens視覺模擬效果

SPEOS Display Source的功能，可以將圖片轉換為光源，配合亮度接收器和inverse Simulation的功能，可以模擬不同LENS設計下的視覺模擬效果。SPEOS 也可以輸入左眼與右眼的不同圖像，來建構VR 360的視覺效果，合成的模擬結果可以透過3D 顯示螢幕與立體眼鏡來呈現立體的視覺化效果。

透過SPEOS中Observer sensor的功能，模擬人眼於環境中的多角度動態效果。

VR Pancake技術與光路設計

Pancake 光學方案設計以偏振光原理為基礎，利用反射偏光片（Reflecting polarizer）對於不同偏振光選擇性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延時片（Quarter waveplate）調整偏振光形態，實現光線在半透半反鏡（Half-mirrorlens）和反射偏光片之間的來回反射，並最終從反射偏光片透射出去。以下圖為例，圓偏振光在通過 1/4 相位延時片後變為線偏振光到達反射偏光片並被反射，接著第二次通過 1/4 相位延時片變回圓偏振光被半透半反鏡反射並第三次通過 1/4 相位延時片，再次變為線偏振光，因為本次相比第一次光線旋轉 90°，得以通過反射偏光片完成成像。（資料來源: https://zhidx.com/p/345675.html）

透過Zemax 的OpticStudio設計VR Pancake透鏡的成像光路系統與透鏡曲率，並透過ZOS的non seqeunce的功能，來模擬不同材料。Zemax 材質檔案支援不同的檔案形式，包括半穿反表面材質，Diffraction, Jones matrix 的偏振，可透過外部檔案或預設的材料來來進行設定。