Pancake+可变焦，揭秘Meta轻薄VR头显光学设计

文／VR陀螺 小钻风

今年10月的Meta Connect大会，Meta（原名Facebook）对其下一代VR原型Cambria进行了视频展示。根据视频所展示的，结合Meta的专利申请等信息，Cambria作为Meta下一代头显大概率采用短焦光学方案。  就在近日，近眼显示专家卡尔·古塔格（Karl Guttag）在撰写2021年AWE大会观察到的产品研究时，又有了一些有关Cambria光学系统的新发现：Cambria或拥有可变焦功能。 今年11月，卡尔在撰写有关MR头显Lynx 的AR透视功能时，开始联想到其他轻薄的VR光学器件方案。为了制造更加轻薄的头显，Lynx所采用的是Pancake光学方案，公司将其称作四折反射自由曲面棱镜。

图源：Karl Guttag 

不只是Lynx，卡尔连续在2020年与2021年CES大会都有看到Kopin为松下制作的非常小型的VR头显原型，头显原型同样使用Pancake。卡尔在对Pancake光学进行简单搜索时，联想到了2021年Meta Connect大会中Cambria视频展示的画面。

图源：Karl Guttag 

很显然，其光学系统使用了偏振器和四分之一波片。为了更好的了解Meta在做什么，卡尔对Meta及其Pancake光学的相关专利进行了一个快速的搜索，发现了大约30项专利。 其中大约10项有相关性，另外，还有几项专利申请中的示意图则看起来与Connect 2021中Cambria的光学方案示意图非常相似，这些专利申请的示意图与一般的短焦方案相比，有一些额外的东西——可变焦LC元件（LC：可变化液晶）。 在进行具体的分析前，卡尔先给读者补了补课，对Pancake的光学原理进行了简要的讲解。   

Pancake光学方案关键助手： 四分之一波片   Pancake光学方案当中，有一较为重要的器件叫作四分之一波片。四分之一波片（又被称为相位延迟片），通常用于偏振光学，大多数AR光学系统借此控制光线。 Pancake光学同样利用了四分之一波片，因此读者对四分之一波片做一些基础了解，有助于理解光学示意图。 四分之一波片通常由塑料薄膜／片制成，透明度非常高，能对光进行圆偏振，并将其相位向左或向右延迟四分之一波长。如果将光在同一方向上以四分之一波循环延迟两次，实际上进行了“半个波长”的旋转，光则线性旋转90度。从镜子反射的光将导致圆偏振从右侧或左侧变为相反的圆偏振。

图源：Edmond 

Optic“Polymer Polarizers and Retarders” 但请注意，来自镜子的线偏振光将保持相同的线偏振。一个方向的线偏振光称为“S”偏振，正好相反的偏振称为“P”。此外，按照惯例，向下或向上／向下的箭头表示“P”偏振，带圆点的圆圈（表示箭头在页面内／外）表示“S”偏振。   Kopin与Meta的Pancake光学方案   美国创企Kopin通过其OLED微显示屏推广Pancake光学的历史至少可以追溯到2年前。（下图取自Chris Chinnock第一篇有关Kopin全塑料Pancake光学的评论）索尼也分别在2020年与2021年CES大会展示了Kopin采用Pancake光学器件的OLED微型显示器。

图源：Karl Guttag 

Pancake光学器件具有“折叠路径”，光线在相同的元件间来回反射，从而节省了空间。最靠近显示设备的透镜具有半反射镜涂层，因此，既能在第一次透射时充当面透镜，又能在光反射时充当曲面镜。 下图来自Meta专利申请 2020／0348528 中的的图1和图7 ，其基本结构设计与Kopin相同。最靠近显示器的镜头一侧有半反射镜涂层，因此它既可以用作透镜，也可用作反射镜。

图源：Karl Guttag 

上图展示了Pancake光学的基本路径。 显示器（110）可以是带有线偏振器的OLED，其后跟着四分之一波片或发射圆偏振光（或类似东西）的LC型显示器。来自显示器的光向左进行圆偏振，并且50％的光穿过带有部分镜面涂层122的透镜120。 光会被透镜120折射，接着穿过四分之一波片124，四分之一波片将光从左圆偏振变为S线偏振，随后光穿过可变LC透镜130（后文详细介绍）。 S偏振光之后被透镜140表面上的偏振分束器反射，并通过可变透镜130返回，并到达第一个透镜120上的四分之一波片124，将S偏振改变回左旋。

之后，光将被50／50镜面122反射，这也将导致左旋圆形光变为右旋。 由于50／50镜子是弯曲的，这也会使得光线弯曲。因此元件120充当一个方向的光的透镜，以及另一个方向光的曲面镜。 经过120元件的光经过四分之一波片124，变成线性P偏振，并穿过可变透镜130，然后P偏振光可以穿过偏振分束器142，并在它射向眼睛时被透镜140折射。折叠路径使元件更加紧凑，元件120可作为两个不同的元件工作。   Meta的分段相位剖面（SPP）可变液晶（LC）透镜   Meta的专利申请中与一般的光学方案有一个非常大的不同，采用了：可变液晶（LC）透镜130。在LC两端施加电压，可用作可变焦菲涅尔透镜。

图源：Karl Guttag 

注意上图，Meta在专利申请中还讨论了多层LC透镜的使用，更薄的多层透镜切换速度会更快，并且能够提供比厚度更大的单个透镜更多的选择。 LC的切换速度大致与LC百度的平方成正比，因此如果厚薄程度低十倍（正如专利申请中所讨论的可能性），它的切换速度将提高约100倍。 液晶可以制作变焦镜头的个事实在业界是众所周知的，在2018年CES上，卡尔第一次看到带有Lumus波导的DeepOptics工作设备，DeepOptics开发LC控制透镜已有约十年时间，并已开始销售具有电动控制焦点的32°N 偏光太阳镜。

图源：Karl Guttag 

从概念上讲，Meta可以将类似Kopin的Pancake光学与类似DeepOptics的液晶透镜技术相结合。 同样，卡尔曾在有关Magic Leap 2光学方案分析中所讲到的，从专利申请看，Magic Leap展示了他们已考虑在设计中添加可变焦距LC镜头。但正如卡尔在文章中所写的，他会怀疑Magic Leap 2最终能否承受液体LC镜头带来的额外光损。

图源：Karl Guttag 

可变焦的重要意义： 缓解视觉辐辏调节冲突（VAC）  可变焦距的意义在于视觉辐辏调节冲突，直接引用Meta专利申请的原文（图来自Journal of Vision 2008）：

“当前的VR／AR／MR头戴式显示设备经常存在所谓的视觉辐辏调节冲突。（通常）立体图像能够驱动用户的人类视觉系统的聚散状态至任意距离，但（在头显中）用户眼镜的调节或聚集状态被光学系统驱动到了一个固定的距离。” 

“因此在长时间的VR／AR／MR环境中，视觉辐辏调节冲突会导致眼睛疲劳或头痛，显著降低用户的视觉体验舒适度。所公开的Pancake透镜组件及其光学系统旨在解决一个或多个上述问题及其他问题。” 有关解决视觉辐辏调节冲突的讨论并不是新鲜事，这在VR／AR设计社区被讨论的很多。如果这一问题能够得到有效解决，有能够很大程度上提高大家佩戴头显的体验。   

结语   

目前没有Meta或可靠的信源表示Meta的Cambria一定具备可变焦功能，卡尔有此观点的证据主要是Meta的几项专利申请信息与Connect大会上展示的Cambria较为相似，只是在展示的基础上多了可变焦。 根据已知的一些信息，Cambria应该是一款更为高端的产品，视觉辐辏调节冲突又被视为VR头显的重要问题，Meta有采用可变焦提升体验的可能。也许有人在此之前已将这些联系起来，只是除了卡尔之外，网上还未有相关信息。 

卡尔表示，Meta专利申请中的方法是对眼球进行追踪，并调整眼睛感知的焦距以及与聚散度保持一致。从他从阅读的资料来看，如果应用得很好，应该能很大程度解决头痛和恶心的问题。 考虑到现实情况，这可能并非完美的解决方案，因为不仅仅要考虑眼睛对准的焦点是否与聚散度保持一致外，还要考虑成像中的所有其他因素，比如虚拟的3D距离如何，是否也将出现在相同的焦距等等。 卡尔说要使一切更好的工作，需要更加复杂的方法，包括聚焦平面（例如 Lightspace 3D）、光场（例如 Creal）、焦点表面（例如 Oculus Reseach），甚至是（真实的）全息图（例如． 微软 Siggraph 2017）等等。