文章來(lái)源:VR陀螺 Pancake

對(duì)于VR 圈來(lái)說(shuō),2022 年是不平凡的一年。

以去年全球超千萬(wàn)臺(tái) VR 終端銷量為契機(jī),今年 VR 產(chǎn)業(yè)關(guān)注度再次拔高,相關(guān)政策、資本資源不斷傾斜。

在各方需求市場(chǎng)、資本市場(chǎng)的催生下,VR 頭顯的“前沿光學(xué)” Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)也突破技術(shù)桎梏,全面落地 VR 終端。

今年以來(lái),已有多款采用 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)的 VR 終端產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布,包括 YVR 2、創(chuàng)維 Pancake 1 系列、聯(lián)想 ThinkReality VRX、PICO 4 /4 Pro 和 Quest Pro。

不同于菲涅爾透鏡單一的光學(xué)放大原理,Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)的光路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,同時(shí)也讓其內(nèi)部構(gòu)造更具可塑性,主要表現(xiàn)在鏡片方案、貼膜和材質(zhì)的選擇之上,所以目前市面上所有在售的 VR 頭顯的 Pancake 光學(xué)方案也相差甚大。

一片、兩片,片片不同,平面、曲面,面面俱到。本文嘗試以國(guó)內(nèi) VR 代表產(chǎn)品 PICO 4 為例,從 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)的光學(xué)原理出發(fā),結(jié)合兩代產(chǎn)品拆機(jī),深度解析 Pancake 折疊光路的“光學(xué)密碼”。

圖源:網(wǎng)絡(luò)

Pancake 光學(xué)發(fā)展史,源起1962年

先簡(jiǎn)單回顧 Pancake 折疊光路的發(fā)展史。

Pancake 折疊光路由“Pancake”和“折疊光路”兩部分構(gòu)成。Pancake 一詞意為“煎餅”,最早出現(xiàn)在科技領(lǐng)域是指鏡頭筒長(zhǎng)度短(比直徑短)的鏡頭,就像在相機(jī)鏡頭底座上被壓扁的“煎餅”一樣,是對(duì)鏡頭外觀的一種客觀描述,在應(yīng)用 Pancake 鏡頭應(yīng)用相機(jī)中,光線呈直線傳播。

Pentax-M Pancake光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì),圖源:網(wǎng)絡(luò)

相關(guān)資料記載,1962 年 Pancake 商標(biāo)被申請(qǐng),折疊光路引入偏振概念,可用于 VR 頭顯的 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)也正式上線,由于有效焦距(EFL)和光學(xué)總長(zhǎng)(TTL)的降低,因此 Pancake 折疊光路在業(yè)內(nèi)也被稱之為“超短焦”。

使用偏振折疊機(jī)制,可以在緊湊的器件內(nèi),實(shí)現(xiàn)光源的傳輸和虛像放大。具體來(lái)看,在經(jīng)典的 Pancake 光學(xué)設(shè)計(jì)中,來(lái)自顯示器的光首先通過(guò)一個(gè)圓形偏振器(假設(shè)為RCP)和一個(gè)半反半透鏡,然后通過(guò)一個(gè)1/4相位片(QWP)傳輸,該 QWP 將光的偏振改變?yōu)?P 偏振。

經(jīng)過(guò) QWP 之后是配置為反射 P 偏振光的偏振分光棱鏡( PBS),然后光再次穿過(guò) QWP,成為右圓偏振光(RCP)。在它從半反半透鏡反射后,成為左圓偏振光(LCP)。LCP 光將通過(guò)QWP 和 PBS,線性偏振器(LP)的透射軸與 PBS 的透射軸對(duì)齊,發(fā)射出 S 偏振光,最終進(jìn)入人眼。

經(jīng)典 Pancake 光學(xué)系統(tǒng)中的偏振狀態(tài),圖源:網(wǎng)絡(luò)

在光的傳導(dǎo)過(guò)程中,由于相關(guān)膜材對(duì)于光效的折損,經(jīng)典的 Pancake 光學(xué)設(shè)計(jì)可以達(dá)到約 12.5% 的無(wú)偏振顯示的效率,約 25% 的具有偏振顯示的效率。

伴隨著海內(nèi)外學(xué)術(shù)界、各大企業(yè)對(duì)于 Pancake 折疊光路的逐漸深入研究和應(yīng)用拓展,在 VR 產(chǎn)業(yè)興起的第一浪潮,Pancake 折疊光路也開始逐漸應(yīng)用落地到 VR Demo 階段。

2015 年,國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)公司多哚科技,美國(guó)微顯示器制造商 eMagin 先后展出基于 Pancake 光學(xué)的工程樣機(jī)。Pancake 折疊光路在 VR 中的引用后,可以克服傳統(tǒng)菲涅爾透鏡、非球面透鏡的許多問(wèn)題,特別是在 VR 頭顯的體積變化之上,幾乎可以做到傳統(tǒng)光學(xué)方案的 1/2甚至更薄。

圖源:網(wǎng)絡(luò)

歷經(jīng)早期的 Demo 探索與技術(shù)矯正,Pancake 折疊光路也慢慢走向商業(yè)化。2019 年 4 月,3Glasses 發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 VR 頭顯 3Glasses X1,裸機(jī)重量小于150g;2019 年 9 月,華為正式發(fā)布華為VR Glass,采用 Pancake 光學(xué)方案,重量?jī)H為 166g;2020 年,PICO 展示了一款面向 B 端市場(chǎng)的分體式 VR 產(chǎn)品 PICO X1 Glasses VR.....

早期基于 Pancake 光學(xué)方案的 VR 頭顯主要是以分體式 VR 為主,無(wú)運(yùn)算存儲(chǔ)單元、無(wú) 6DoF 追蹤,無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行,應(yīng)用場(chǎng)景十分有限,多用于觀影和投屏顯示。而進(jìn)入到 2022 年,采用 Pancake 光學(xué)方案的 6DoF VR 一體機(jī)開始成為主流,從佩戴體驗(yàn)、顯示效果和應(yīng)用廠商上也更是指數(shù)級(jí)的提升,PICO 4 則是國(guó)內(nèi) VR 代表產(chǎn)品之一。

PICO 4的Pancake光學(xué)密碼一:單片式設(shè)計(jì),緊湊分布

Pancake 折疊光路的應(yīng)用,最大變化在于采用了“折疊式”的光路結(jié)構(gòu),在保證虛像放大的同時(shí),縮短屏幕到眼睛的直線距離,從而降低光機(jī)部分體積,進(jìn)而達(dá)到降低整個(gè)頭顯體積,提高佩戴舒適性的目的。

(一)迭代Pancake,光機(jī)厚度縮短15mm

PICO 4采用了獨(dú)家優(yōu)化后的單片式 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì),從大體結(jié)構(gòu)上來(lái)看,光學(xué)部分主要由屏幕+膜材與鏡片+膜材兩部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)看似非常簡(jiǎn)單,但光路傳遞過(guò)程卻異常復(fù)雜。

據(jù)悉,PICO 4 的光路傳導(dǎo)路徑——屏幕出射光(圓偏振光)→BS透射(圓偏振光)→QWP出射(垂直線偏振光)→RP反射(垂直線偏振光)→QWP出射(圓偏振光)→BS反射(圓偏振光,旋向相反)→QWP出射(水平線偏振光)→RP透過(guò)(水平線偏振光)→LP透過(guò)(水平線偏振光)。

PICO式折疊光路設(shè)計(jì),圖源:PICO

光源由此多次折返最終進(jìn)入人眼,在較短的 TTL 中,實(shí)現(xiàn)光源的聚集與虛像的放大,達(dá)成近眼顯示功效。

VR陀螺拆解測(cè)量得知,PICO 4 的光機(jī)模組高約 30mm,單個(gè)重量約 37g(含屏幕),相對(duì)于上一代采用菲涅爾透鏡方案的 PICO Neo3,PICO 4 的 TTL 縮小了 15mm 左右。

左PICO 4,右PICO Neo3;圖源:VR陀螺

(二)前置主機(jī)內(nèi)部高效利用,體積縮小38.8%

作為 Pancake 光學(xué)應(yīng)用特點(diǎn)的延伸,光機(jī)模組體積的輕量化,同時(shí)也會(huì)間接減輕 VR 頭顯內(nèi)部空間的占用,對(duì)比 PICO Neo3,PICO 4 的內(nèi)部空間利用率幾乎達(dá)到了95% (陀螺君拆機(jī)目測(cè))以上。

不管是頭顯正面主板部分,還是背面透鏡部分,零部件都十分緊湊,在 PICO 4 殼身內(nèi)部四周的各類傳感器和線材更是十分密集,不放過(guò)一絲可利用空間。

上PICO 4外殼,左PICO 4光機(jī)鋁鎂合金背部不含主板,右PICO 4光機(jī)部分,含主板;圖源:VR陀螺

擴(kuò)展到整機(jī)來(lái)看,PICO 4 相對(duì)于上代產(chǎn)品 PICO Neo3,頭顯前端主體厚度減少 38.8%,由 66mm 壓縮到了 35 mm,整體重量減少 26.2%,僅為 295g。

圖源:網(wǎng)絡(luò)

前端主機(jī)的重量的降低也進(jìn)一步提高了 VR 一體機(jī)前后配重的均衡性,PICO Neo3 的前后配重比為:395/160=2.24,PICO 4 的前后配重比為 295/187=1.57。

在頭顯重量一定時(shí),前后配重的合理分配,有助于分?jǐn)傤^顯對(duì)于用戶頭部的向下重力,進(jìn)一步提高用戶在佩戴體驗(yàn) VR 時(shí)的舒適性,保證長(zhǎng)時(shí)間安全健康的使用。

圖源:PICO

VR 頭顯的產(chǎn)品設(shè)計(jì),人體工學(xué)是重要的組成部分,不過(guò)更為核心的還是需要回歸到近眼顯示的效果研究之上。

PICO 4的Pancake光學(xué)密碼二:大FOV、降鬼影畸變與物理限制之間的博弈

人眼是一種自然進(jìn)化的光學(xué)成像系統(tǒng),光線通過(guò)可調(diào)節(jié)的虹膜進(jìn)入眼睛,虹膜控制光的吞吐量。在被角膜和晶狀體折射后,光線在視網(wǎng)膜上形成圖像。

與物理世界中的看到即得到不同,VR 近眼顯示是典型的間接性成像,它需要依靠光學(xué)介質(zhì),

最終人眼感知顯示效果與頭顯的 FOV 大小、Eye box 范圍、MTF 值等核心光學(xué)參數(shù)強(qiáng)相關(guān)。

(一)105度FOV,兼顧更大Eye-box

在雙目視覺(jué)中,人類的水平視野 FOV 接近 200°,其中 120° 是雙目重疊,VR 頭顯要想提升沉浸感,那么 FOV 在理論參數(shù)上越接近 120°,則越能讓用戶看到更多畫面,減少黑邊視覺(jué)影響。

據(jù)悉,PICO 4 的 FOV 水平方向和垂直方向都達(dá)到了 105 度,通過(guò)相機(jī)實(shí)拍(鏡頭視場(chǎng)角:120度(橫向)x 80度(縱向)),結(jié)合網(wǎng)格線,可以非常明顯看到 PICO 兩代產(chǎn)品橫向 FOV 大小的進(jìn)化。在臨場(chǎng)感方面,與同價(jià)位的 VR 一體機(jī)相比,參數(shù)較為突出。

上PICO Neo3,下PICO 4,圖源:網(wǎng)絡(luò)

一般來(lái)說(shuō)越大的屏幕越容易做到更大的 FOV,PICO 4 采用了特別定制的兩塊 2.56 英寸 Fast-LCD 屏幕,該屏幕尺寸高于目前市面上的大多數(shù)采用“兩塊屏”的 VR 頭顯,這是其培育大 FOV 的基礎(chǔ)要素。

由于光學(xué)傳播過(guò)程中沒(méi)有其他鏡片的影響,單片式 Pancake 可以保證在同樣鏡片直徑的情況下把 FOV 做到最大,所以 PICO 4 所采用的單片式 Pancake 光學(xué)方案是其造就 105 度大 FOV 的核心要素。

當(dāng)然,或許 PICO 4 在該屏幕尺寸和光學(xué)方案下,還能將 FOV 做到更大,但是它還需要考慮到 Eye-box 的范圍(甜蜜點(diǎn))。

Eye-box 是 AR/VR 光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),Eye-box 的大小決定了用戶看到整個(gè)虛擬放大圖像的體驗(yàn)。為了確保顯示圖像始終可見(jiàn),VR 頭顯的出口瞳孔 Eye-box 必須大于眼睛運(yùn)動(dòng)范圍,即 12 毫米。

圖源:網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于 VR 顯示系統(tǒng)而言,FOV 和 Eye-box 的乘積與設(shè)備的空間乘積成正比,并且是有限的。因此,增加 FOV 大小將減少 Eye-box 范圍,反之亦然。

所以,PICO 4 在這一光學(xué)系統(tǒng)上做出了一個(gè)權(quán)衡三方的選擇,在保證 Pancake 折疊光路帶來(lái)的輕量化體積的前提下,采用單片式設(shè)計(jì),將 FOV 提升至 105 度,并實(shí)現(xiàn)了更大的 Eye-box ,這意味用戶在使用 VR 時(shí),不用去刻意盯著某一個(gè)點(diǎn)以獲取虛擬圖像,減少眼部疲勞。

在用戶體驗(yàn)?zāi)承┬枰蠓冗\(yùn)動(dòng)的 VR 應(yīng)用時(shí),如《超燃一刻》,頭顯可能跟隨人體的擺動(dòng)而發(fā)生細(xì)微偏移,而更大的 Eye-box 則保證了運(yùn)動(dòng)中的 VR 頭顯一直保持穩(wěn)定的可視范圍。

(二)參考0.6的MTF值,PICO 4光學(xué)鏡頭解析力比Neo3提升85.7%

MTF 是衡量一個(gè)光學(xué)鏡頭的核心參數(shù),它是對(duì)鏡頭的解像力的一個(gè)定量描述,確切地說(shuō)是對(duì)鏡頭成像的清晰程度(包含分辨率和銳度兩個(gè)因素)的一個(gè)定量描述。在數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)相機(jī)鏡頭中,由于需要對(duì)外界光線進(jìn)行精確的把握和捕捉,所以理論上鏡片數(shù)量越多,光學(xué)傳遞表現(xiàn)也就越好。

這一原理在 VR 頭顯上同樣適用,PICO 的光學(xué)技術(shù)專家向VR陀螺表示:越多的鏡片數(shù)量可以帶來(lái)更多的光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化空間,提升顯示效果。但對(duì) Pancake 鏡頭來(lái)說(shuō),鏡片數(shù)量增加會(huì)帶來(lái)其它挑戰(zhàn),如鬼影,重量以及公差控制。——這也是 PICO 采用單片式 Pancake 光學(xué)設(shè)計(jì)的核心考量要素之一。

圖源:PICO

已知參考 MTF 0.6,PICO 4 的光學(xué)鏡頭解析力比 Neo3 提升了 85.7%(最大值)。但對(duì)于頭顯而言,因?yàn)槠渫哥R光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),所以一般中心區(qū)域 MTF 較高,而邊緣較低,而在邊緣區(qū)域,相較 PICO Neo3,PICO 4 整機(jī)的顯示清晰度也提升 20% 及以上。

從透鏡中心區(qū)域到邊緣區(qū)域光學(xué)解析力的整體曲線幅度來(lái)看,Pancake 光學(xué)鏡頭替換菲涅爾透鏡的光學(xué)優(yōu)勢(shì)明顯,線條較為平滑,不過(guò)仍然有待進(jìn)一步優(yōu)化。

另外,從入眼亮度來(lái)看,相對(duì)于上一代采用一塊 5.5 英寸屏+菲涅爾透鏡的 PICO Neo3,采用2.56 英寸+單片式 Pancake 折疊光路的 PICO 4 入眼亮度更均勻,可以更好還原畫面圖像色彩。從某種角度上來(lái)說(shuō),入眼亮度的均勻分布,還能在視力保護(hù)方面有一定功效。

左PICO 4,右PICO Neo3,圖源:PICO

在單片式 Pancake 折疊光路的加持下,PICO 4 在近眼顯示方面優(yōu)勢(shì)明顯,從大 FOV、大 Eye-box 范圍,再到 MTF 值。不過(guò)它仍逃不過(guò) Pancake 折疊光路本身物理性質(zhì)決定的光學(xué)缺點(diǎn),鬼影是其中之一。

(三)鬼影與畸變?nèi)趸?/p>

由于 Pancake 折疊光路的光學(xué)性質(zhì),導(dǎo)致光源在折返過(guò)程中,存在偏振漏光等形成的雜散光,從而影響到最終入眼呈像效果,這個(gè)現(xiàn)象我們叫做”鬼影“。

圖源:網(wǎng)絡(luò)

由于鬼影是光路設(shè)計(jì)所造成的,所以在 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)中,鬼影只能降低弱化,不能完全消除。

據(jù)悉,PICO 4 針對(duì)鬼影的解決方案主要是通過(guò)優(yōu)化膜材設(shè)計(jì)和選型,控制光軸角度精度,增加相位補(bǔ)償膜來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的偏振轉(zhuǎn)化效率,使鬼影整體水平大幅度降低,對(duì)比市場(chǎng)上其他使用 Pancake 光學(xué)方案的產(chǎn)品,鬼影度下降了一半左右。

鬼影和雜散光還會(huì)造成對(duì)比度的下降,PICO 4 使用棋盤格的方式評(píng)價(jià)對(duì)比度,橫向?qū)Ρ戎?實(shí)測(cè)對(duì)比度處于優(yōu)異水平。此外,在畸變方面,透鏡顯示邊緣的棋盤格也不會(huì)有明顯的方格扭曲,畫面模糊化等現(xiàn)象產(chǎn)生。

用于畸變測(cè)試樣圖,圖源:VR陀螺

PICO 4的Pancake光學(xué)密碼三:突破量產(chǎn)的技術(shù)瓶頸

從近兩年國(guó)內(nèi)外推出的基于 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì)的數(shù)款 VR 一體機(jī)可以發(fā)現(xiàn),采用 Pancake 技術(shù)方案并不難,難的是做到高良率生產(chǎn),規(guī)劃化量產(chǎn)與消費(fèi)級(jí)價(jià)格。

高良率生產(chǎn)主要體現(xiàn)在貼膜方面。高良率下的批量生產(chǎn)會(huì)對(duì) Pancake 折疊光路的工藝提出比傳統(tǒng)的光學(xué)方案有更高的要求,包括貼膜的精度、質(zhì)量的管理、精度管控和一致性等方面。

對(duì)于 PICO 4 而言,它所采用的單片式 Pancake 光學(xué)方案同意遇到了膜材褶皺等問(wèn)題的挑戰(zhàn)。PICO 對(duì) VR陀螺提到:“基于傳統(tǒng)的單片式 Pancake 折疊光路設(shè)計(jì) ,PICO 4 需要在直徑為 40 毫米到 50 毫米的光學(xué)鏡片上,再均勻地貼上一層膜,這對(duì)于膜材的平整度,甚至是灰塵都有非常嚴(yán)苛的要求。膜材的任何一點(diǎn)點(diǎn)瑕疵,都會(huì)對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)造成很大的影響。”

PICO 對(duì)整個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改良,通過(guò)更精密的工藝實(shí)現(xiàn)了波度更小、表面更平整的偏振反射膜,光線梳理得更好,從而實(shí)現(xiàn)更高的 MTF 值,更好的入眼清晰度體驗(yàn)。

不同類型品牌會(huì)針對(duì)自己的市場(chǎng)情況和產(chǎn)品定位,采取不同的技術(shù)方案。PICO 4 在選擇貼膜方式和做膜系設(shè)計(jì)的時(shí)候平衡了產(chǎn)品的性能和技術(shù)成熟度,最終得到 2499 元的消費(fèi)級(jí)價(jià)格。這也是 PICO 此次采用的改良版的 Pancake 技術(shù)方案,對(duì)于行業(yè)的一次技術(shù)創(chuàng)新意義,極具參考價(jià)值。

左PICO 4光學(xué)模組,右PICO Neo3光學(xué)模組,圖源:VR陀螺

結(jié)語(yǔ)

VR 產(chǎn)業(yè)從 2014 年發(fā)展至今,仍有許多問(wèn)題尚未解決,其中很大部分來(lái)自其獨(dú)特的“近眼顯示”系統(tǒng)方面,譬如擺在廠商面前的 Pancake 折疊光路方案其實(shí)有很多種:

Pancake 單片的優(yōu)勢(shì)是可以保證在同樣鏡片直徑的情況下把 FOV 做到最大,同時(shí)可以用一片鏡片實(shí)現(xiàn)光路的折返,所以鬼影效果會(huì)略優(yōu)于雙片設(shè)計(jì)。

雙片的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)模組的極致輕薄以及更好的清晰度,但成本會(huì)略有增加。三片是用更多的鏡片來(lái)優(yōu)化光學(xué)性能,比如清晰度、畸變,但會(huì)增加工藝難度以及物料成本、重量等。

總而言之,單片、雙片和三片各有優(yōu)劣:單片的優(yōu)勢(shì)是視野大、成本低、鬼影度好;但雙片或三片在清晰度和總厚度方面更有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于硬件廠商而言,只能在現(xiàn)有的資源中,去做技術(shù)突圍與商業(yè)落地,在提供 VR 頭顯體積、頭戴設(shè)計(jì)、顯示效果、FOV 與 Eye-box 等多方面達(dá)到一個(gè)相對(duì)高參數(shù)的同時(shí),保證一個(gè) C 端市場(chǎng)的價(jià)格,而 PICO 4 顯然是兼顧了以上的各個(gè)方面,在這場(chǎng) Pancake 技術(shù)突圍和商業(yè)落地的博弈之間,找到了最佳平衡點(diǎn)。

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