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          Pancake折疊光路深度解析
          發布時間:2022-11-03    來源:VR陀螺   閱讀次數:952 分享到:

          對于?VR?圈來說,2022?年是不平凡的一年。

          以去年全球超千萬臺?VR?終端銷量為契機,今年?VR?產業關注度再次拔高,相關政策、資本資源不斷傾斜。

          在各方需求市場、資本市場的催生下,VR?頭顯的“前沿光學”?Pancake?折疊光路設計也突破技術桎梏,全面落地?VR?終端。

          今年以來,已有多款采用?Pancake?折疊光路設計的?VR?終端產品陸續發布,包括?YVR?2、創維?Pancake?1?系列、聯想?ThinkReality?VRX、PICO?4?/4?Pro?和?Quest?Pro。

          不同于菲涅爾透鏡單一的光學放大原理,Pancake?折疊光路設計的光路設計更加復雜,同時也讓其內部構造更具可塑性,主要表現在鏡片方案、貼膜和材質的選擇之上,所以目前市面上所有在售的?VR?頭顯的?Pancake?光學方案也相差甚大。

          一片、兩片,片片不同,平面、曲面,面面俱到。本文嘗試以國內?VR?代表產品?PICO?4?為例,從?Pancake?折疊光路設計的光學原理出發,結合兩代產品拆機,深度解析?Pancake?折疊光路的“光學密碼”。

          圖源:網絡

          Pancake?光學發展史,源起1962年

          先簡單回顧?Pancake?折疊光路的發展史。

          Pancake?折疊光路由“Pancake”和“折疊光路”兩部分構成。Pancake?一詞意為“煎餅”,最早出現在科技領域是指鏡頭筒長度短(比直徑短)的鏡頭,就像在相機鏡頭底座上被壓扁的“煎餅”一樣,是對鏡頭外觀的一種客觀描述,在應用?Pancake?鏡頭應用相機中,光線呈直線傳播。

          Pentax-M?Pancake光學鏡頭設計,圖源:網絡

          相關資料記載,1962?年?Pancake?商標被申請,折疊光路引入偏振概念,可用于?VR?頭顯的?Pancake?折疊光路設計也正式上線,由于有效焦距(EFL)和光學總長(TTL)的降低,因此?Pancake?折疊光路在業內也被稱之為“超短焦”。

          使用偏振折疊機制,可以在緊湊的器件內,實現光源的傳輸和虛像放大。具體來看,在經典的?Pancake?光學設計中,來自顯示器的光首先通過一個圓形偏振器(假設為RCP)和一個半反半透鏡,然后通過一個1/4相位片(QWP)傳輸,該?QWP?將光的偏振改變為?P?偏振。

          經過?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?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QWP?和?PBS,線性偏振器(LP)的透射軸與?PBS?的透射軸對齊,發射出?S?偏振光,最終進入人眼。

          經典?Pancake?光學系統中的偏振狀態,圖源:網絡

          在光的傳導過程中,由于相關膜材對于光效的折損,經典的?Pancake?光學設計可以達到約?12.5%?的無偏振顯示的效率,約?25%?的具有偏振顯示的效率。

          伴隨著海內外學術界、各大企業對于?Pancake?折疊光路的逐漸深入研究和應用拓展,在?VR?產業興起的第一浪潮,Pancake?折疊光路也開始逐漸應用落地到?VR?Demo?階段。

          2015?年,國內虛擬現實公司多哚科技,美國微顯示器制造商?eMagin?先后展出基于?Pancake?光學的工程樣機。Pancake?折疊光路在?VR?中的引用后,可以克服傳統菲涅爾透鏡、非球面透鏡的許多問題,特別是在?VR?頭顯的體積變化之上,幾乎可以做到傳統光學方案的?1/2甚至更薄。

          圖源:網絡

          歷經早期的?Demo?探索與技術矯正,Pancake?折疊光路也慢慢走向商業化。2019?年?4?月,3Glasses?發布了采用?Pancake?光學方案的?VR?頭顯?3Glasses?X1,裸機重量小于150g;2019?年?9?月,華為正式發布華為VR?Glass,采用?Pancake?光學方案,重量僅為?166g;2020?年,PICO?展示了一款面向?B?端市場的分體式?VR?產品?PICO?X1?Glasses?VR.....

          早期基于?Pancake?光學方案的?VR?頭顯主要是以分體式?VR?為主,無運算存儲單元、無?6DoF?追蹤,無法獨立運行,應用場景十分有限,多用于觀影和投屏顯示。而進入到?2022?年,采用?Pancake?光學方案的?6DoF?VR 一體機開始成為主流,從佩戴體驗、顯示效果和應用廠商上也更是指數級的提升,PICO?4?則是國內?VR?代表產品之一。

          PICO?4的Pancake光學密碼一:單片式設計,緊湊分布

          Pancake?折疊光路的應用,最大變化在于采用了“折疊式”的光路結構,在保證虛像放大的同時,縮短屏幕到眼睛的直線距離,從而降低光機部分體積,進而達到降低整個頭顯體積,提高佩戴舒適性的目的。

          (一)迭代Pancake,光機厚度縮短15mm

          PICO?4采用了獨家優化后的單片式?Pancake?折疊光路設計,從大體結構上來看,光學部分主要由屏幕+膜材與鏡片+膜材兩部分構成,結構看似非常簡單,但光路傳遞過程卻異常復雜。

          據悉,PICO?4?的光路傳導路徑——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(水平線偏振光)→LP透過(水平線偏振光)。

          PICO式折疊光路設計,圖源:PICO

          光源由此多次折返最終進入人眼,在較短的?TTL?中,實現光源的聚集與虛像的放大,達成近眼顯示功效。

          VR陀螺拆解測量得知,PICO?4?的光機模組高約?30mm,單個重量約?37g(含屏幕),相對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)前置主機內部高效利用,體積縮小38.8%

          作為?Pancake?光學應用特點的延伸,光機模組體積的輕量化,同時也會間接減輕?VR?頭顯內部空間的占用,對比?PICO?Neo3,PICO?4?的內部空間利用率幾乎達到了95%?(陀螺君拆機目測)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?殼身內部四周的各類傳感器和線材更是十分密集,不放過一絲可利用空間。

          上PICO?4外殼,左PICO?4光機鋁鎂合金背部不含主板,右PICO?4光機部分,含主板;圖源:VR陀螺

          擴展到整機來看,PICO?4?相對于上代產品?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:網絡

          前端主機的重量的降低也進一步提高了?VR?一體機前后配重的均衡性,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,前后配重的合理分配,有助于分攤頭顯對于用戶頭部的向下重力,進一步提高用戶在佩戴體驗?VR?時的舒適性,保證長時間安全健康的使用。

          圖源:PICO

          VR?頭顯的產品設計,人體工學是重要的組成部分,不過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

          人眼是一種自然進化的光學成像系統,光線通過可調節的虹膜進入眼睛,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,它需要依靠光學介質,

          最終人眼感知顯示效果與頭顯的?FOV?大小、Eye?box?范圍、MTF?值等核心光學參數強相關。

          (一)105度FOV,兼顧更大Eye-box

          在雙目視覺中,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?在理論參數上越接近?120°,則越能讓用戶看到更多畫面,減少黑邊視覺影響。

          據悉,PICO?4?的?FOV?水平方向和垂直方向都達到了?105?度,通過相機實拍(鏡頭視場角:120度(橫向)x?80度(縱向)),結合網格線,可以非常明顯看到?PICO?兩代產品橫向?FOV?大小的進化。在臨場感方面,與同價位的?VR?一體機相比,參數較為突出。

          上PICO?Neo3,下PICO?4,圖源:網絡

          一般來說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采用“兩塊屏”的?VR?頭顯,這是其培育大?FOV?的基礎要素。

          由于光學傳播過程中沒有其他鏡片的影響,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?光學方案是其造就?105?度大?FOV?的核心要素。

          當然,或許?PICO?4?在該屏幕尺寸和光學方案下,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)。

          Eye-box?是?AR/VR?光學設計的關鍵參數,Eye-box?的大小決定了用戶看到整個虛擬放大圖像的體驗。為了確保顯示圖像始終可見,VR?頭顯的出口瞳孔?Eye-box?必須大于眼睛運動范圍,即?12?毫米。

          圖源:網絡

          對于?VR?顯示系統而言,FOV?和?Eye-box?的乘積與設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?在這一光學系統上做出了一個權衡三方的選擇,在保證?Pancake?折疊光路帶來的輕量化體積的前提下,采用單片式設計,將?FOV?提升至?105?度,并實現了更大的?Eye-box?,這意味用戶在使用?VR?時,不用去刻意盯著某一個點以獲取虛擬圖像,減少眼部疲勞。

          在用戶體驗某些需要大幅度運動的?VR?應用時,如《超燃一刻》,頭顯可能跟隨人體的擺動而發生細微偏移,而更大的?Eye-box?則保證了運動中的?VR?頭顯一直保持穩定的可視范圍。

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

          MTF?是衡量一個光學鏡頭的核心參數,它是對鏡頭的解像力的一個定量描述,確切地說是對鏡頭成像的清晰程度(包含分辨率和銳度兩個因素)的一個定量描述。在數碼相機手機相機鏡頭中,由于需要對外界光線進行精確的把握和捕捉,所以理論上鏡片數量越多,光學傳遞表現也就越好。

          這一原理在?VR?頭顯上同樣適用,PICO?的光學技術專家向VR陀螺表示:越多的鏡片數量可以帶來更多的光學設計優化空間,提升顯示效果。但對?Pancake?鏡頭來說,鏡片數量增加會帶來其它挑戰,如鬼影,重量以及公差控制?!@也是?PICO?采用單片式?Pancake?光學設計的核心考量要素之一。

          圖源:PICO

          已知參考?MTF?0.6,PICO?4?的光學鏡頭解析力比?Neo3?提升了?85.7%(最大值)。但對于頭顯而言,因為其透鏡光學系統設計,所以一般中心區域?MTF?較高,而邊緣較低,而在邊緣區域,相較?PICO?Neo3,PICO?4?整機的顯示清晰度也提升?20%?及以上。

          從透鏡中心區域到邊緣區域光學解析力的整體曲線幅度來看,Pancake?光學鏡頭替換菲涅爾透鏡的光學優勢明顯,線條較為平滑,不過仍然有待進一步優化。

          另外,從入眼亮度來看,相對于上一代采用一塊?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。從某種角度上來說,入眼亮度的均勻分布,還能在視力保護方面有一定功效。

          左PICO?4,右PICO?Neo3,圖源:PICO

          在單片式?Pancake?折疊光路的加持下,PICO?4?在近眼顯示方面優勢明顯,從大?FOV、大?Eye-box?范圍,再到?MTF?值。不過它仍逃不過?Pancake?折疊光路本身物理性質決定的光學缺點,鬼影是其中之一。

          (三)鬼影與畸變弱化

          由于?Pancake?折疊光路的光學性質,導致光源在折返過程中,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,這個現象我們叫做”鬼影“。

          圖源:網絡

          由于鬼影是光路設計所造成的,所以在?Pancake?折疊光路設計中,鬼影只能降低弱化,不能完全消除。

          據悉,PICO?4?針對鬼影的解決方案主要是通過優化膜材設計和選型,控制光軸角度精度,增加相位補償膜來實現更好的偏振轉化效率,使鬼影整體水平大幅度降低,對比市場上其他使用?Pancake?光學方案的產品,鬼影度下降了一半左右。

          鬼影和雜散光還會造成對比度的下降,PICO?4?使用棋盤格的方式評價對比度,橫向對比之下,實測對比度處于優異水平。此外,在畸變方面,透鏡顯示邊緣的棋盤格也不會有明顯的方格扭曲,畫面模糊化等現象產生。

          用于畸變測試樣圖,圖源:VR陀螺

          PICO?4的Pancake光學密碼三:突破量產的技術瓶頸

          從近兩年國內外推出的基于?Pancake?折疊光路設計的數款?VR?一體機可以發現,采用?Pancake?技術方案并不難,難的是做到高良率生產,規劃化量產與消費級價格。

          高良率生產主要體現在貼膜方面。高良率下的批量生產會對?Pancake?折疊光路的工藝提出比傳統的光學方案有更高的要求,包括貼膜的精度、質量的管理、精度管控和一致性等方面。

          對于?PICO?4?而言,它所采用的單片式?Pancake?光學方案同意遇到了膜材褶皺等問題的挑戰。PICO?對?VR陀螺提到:“基于傳統的單片式?Pancake?折疊光路設計?,PICO?4?需要在直徑為?40?毫米到?50?毫米的光學鏡片上,再均勻地貼上一層膜,這對于膜材的平整度,甚至是灰塵都有非常嚴苛的要求。膜材的任何一點點瑕疵,都會對整個光學系統造成很大的影響?!?

          PICO?對整個光學設計進行了改良,通過更精密的工藝實現了波度更小、表面更平整的偏振反射膜,光線梳理得更好,從而實現更高的?MTF?值,更好的入眼清晰度體驗。

          不同類型品牌會針對自己的市場情況和產品定位,采取不同的技術方案。PICO?4?在選擇貼膜方式和做膜系設計的時候平衡了產品的性能和技術成熟度,最終得到?2499?元的消費級價格。這也是?PICO?此次采用的改良版的?Pancake?技術方案,對于行業的一次技術創新意義,極具參考價值。

          左PICO?4光學模組,右PICO?Neo3光學模組,圖源:VR陀螺

          結語

          VR?產業從?2014?年發展至今,仍有許多問題尚未解決,其中很大部分來自其獨特的“近眼顯示”系統方面,譬如擺在廠商面前的?Pancake?折疊光路方案其實有很多種:

          Pancake?單片的優勢是可以保證在同樣鏡片直徑的情況下把?FOV?做到最大,同時可以用一片鏡片實現光路的折返,所以鬼影效果會略優于雙片設計。

          雙片的優勢是可以實現光學模組的極致輕薄以及更好的清晰度,但成本會略有增加。三片是用更多的鏡片來優化光學性能,比如清晰度、畸變,但會增加工藝難度以及物料成本、重量等。

          總而言之,單片、雙片和三片各有優劣:單片的優勢是視野大、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勢。

          對于硬件廠商而言,只能在現有的資源中,去做技術突圍與商業落地,在提供?VR?頭顯體積、頭戴設計、顯示效果、FOV?與?Eye-box?等多方面達到一個相對高參數的同時,保證一個?C?端市場的價格,而?PICO?4?顯然是兼顧了以上的各個方面,在這場?Pancake?技術突圍和商業落地的博弈之間,找到了最佳平衡點。

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