VR光学系统通过非直视型和直视型两种架构来实现不同的视觉效果，以满足用户的沉浸体验和视觉舒适度需求。具体介绍如下：
- 非直视型结构
- 光学原理：利用透镜折射原理，让靠近人眼的屏幕聚焦并放大屏幕图像，从而形成清晰的图像[^1^]。这种设计通过菲涅尔透镜或Pancake方案实现，其中Pancake方案以轻薄、高成像质量和成熟的量产工艺逐渐成为主流[^2^]。
- 视场角（FOV）：未加特殊说明时指左右两个边缘与单个观察点的夹角，即水平视场角。90°视场角被认为是VR沉浸体验的及格线，120°视场角被普遍认为是达到部分沉浸式体验的标准，180°视场角则是完全沉浸的标准[^1^]。
- 出瞳距离（Eyerelief）：能够看清整个视场时眼睛与光学镜片间的距离。在VR光学中，出瞳距离通常为8mm到15mm之间[^1^]。
- 眼动范围（Eyebox）：近眼显示光学模组与眼球之间的一块锥形区域，也是显示内容最清晰的区域。目前VR头显的普遍Eyebox都大于10mm[^1^]。
- 畸变处理：由于透镜的折射特性，这种设计常导致图像产生桶形畸变。通过巧妙地设计透镜组合，可以抵消这种畸变，改善图像质量[^1^]。
- 直视型结构
- 光学原理：通过单一透镜直接对准显示板的光线，这种设计更为紧凑和轻便，适合不需要完全沉浸式体验的设备[^1^]。
- 枕形失真和桶形失真：在这种结构中，光线通过透镜时会产生明显的枕形失真。为了抵消这种效果，通常会设计另一种透镜产生桶形失真，从而平衡图像失真[^1^][^2^]。
- 视场角：由于设计相对简单，直视型结构的视场角通常不如非直视型结构大[^1^]。
- 出瞳距离：直视型结构允许较大的出瞳距离，使用户更容易适应不同的视力条件[^1^]。
- 眼动范围：相对于非直视型结构，直视型结构要求的眼动范围较小，因此在设计上可以更加紧凑[^1^]。
- Pancake光学方案
- 光路折叠：Pancake方案通过折叠光路在更小的模组厚度下实现同等的光路总长，即同样的放大效果[^4^]。
- 光损问题：由于多次反射和偏振片的使用，Pancake光学方案存在较大的光损失。LCD的极限光效为25%，而Micro OLED的极限光效为12.5%[^4^]。
- 伪影和FOV：Pancake方案由于光路会出现双折射从而容易形成伪影，并且由于压缩了总体跟踪长度（TTL），其视场角相对较小[^4^]。
- 显示屏选择：尽管存在光损问题，但由于Micro OLED的高亮度、高PPI、快响应速度和广色域等优势，Pancake结合Micro OLED成为高端VR的首选方案[^4^]。
- 前沿技术探索
- 全息近眼显示技术：基于波前调控的全息视网膜投影显示（RPD）能够在无透镜条件下对图像光束进行会聚，并且可以实现图像景深、视点位置、数量、间距等参数的自由调控[^3^]。
- 超表面光学元件：超表面是一种在二维平面上排布亚波长纳米结构的新型超薄光学元器件，具有超越传统光学器件的强大电磁波调控能力，适用于开发大视场、轻薄和紧凑的VR/AR设备[^3^]。
综上所述，VR光学系统通过非直视型结构和直视型结构提供了不同的视觉效果，同时前沿技术的探索如Pancake方案、全息近眼显示技术和超表面光学元件，进一步推动了VR光学的发展，满足了用户对沉浸体验和视觉舒适度的需求。
