Pancake的光学密码：一场技术突围与商业落地之间的博弈

文章来源:VR陀螺 Pancake

对于 VR 圈来说,2022 年是不平凡的一年。

以去年全球超千万台 VR 终端销量为契机,今年 VR 产业关注度再次拔高,相关政策、资本资源不断倾斜。

在各方需求市场、资本市场的催生下,VR 头显的“前沿光学” Pancake 折叠光路设计也突破技术桎梏,全面落地 VR 终端。

今年以来,已有多款采用 Pancake 折叠光路设计的 VR 终端产品陆续发布,包括 YVR 2、创维 Pancake 1 系列、联想 ThinkReality VRX、PICO 4 /4 Pro 和 Quest Pro。

不同于菲涅尔透镜单一的光学放大原理,Pancake 折叠光路设计的光路设计更加复杂,同时也让其内部构造更具可塑性,主要表现在镜片方案、贴膜和材质的选择之上,所以目前市面上所有在售的 VR 头显的 Pancake 光学方案也相差甚大。

一片、两片,片片不同,平面、曲面,面面俱到。本文尝试以国内 VR 代表产品 PICO 4 为例,从 Pancake 折叠光路设计的光学原理出发,结合两代产品拆机,深度解析 Pancake 折叠光路的“光学密码”。

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Pancake 光学发展史,源起1962年

先简单回顾 Pancake 折叠光路的发展史。

Pancake 折叠光路由“Pancake”和“折叠光路”两部分构成。Pancake 一词意为“煎饼”,最早出现在科技领域是指镜头筒长度短(比直径短)的镜头,就像在相机镜头底座上被压扁的“煎饼”一样,是对镜头外观的一种客观描述,在应用 Pancake 镜头应用相机中,光线呈直线传播。

Pentax-M Pancake光学镜头设计,图源:网络

相关资料记载,1962 年 Pancake 商标被申请,折叠光路引入偏振概念,可用于 VR 头显的 Pancake 折叠光路设计也正式上线,由于有效焦距(EFL)和光学总长(TTL)的降低,因此 Pancake 折叠光路在业内也被称之为“超短焦”。

使用偏振折叠机制,可以在紧凑的器件内,实现光源的传输和虚像放大。具体来看,在经典的 Pancake 光学设计中,来自显示器的光首先通过一个圆形偏振器(假设为RCP)和一个半反半透镜,然后通过一个1/4相位片(QWP)传输,该 QWP 将光的偏振改变为 P 偏振。

经过 QWP 之后是配置为反射 P 偏振光的偏振分光棱镜( PBS),然后光再次穿过 QWP,成为右圆偏振光(RCP)。在它从半反半透镜反射后,成为左圆偏振光(LCP)。LCP 光将通过QWP 和 PBS,线性偏振器(LP)的透射轴与 PBS 的透射轴对齐,发射出 S 偏振光,最终进入人眼。

经典 Pancake 光学系统中的偏振状态,图源:网络

在光的传导过程中,由于相关膜材对于光效的折损,经典的 Pancake 光学设计可以达到约 12.5% 的无偏振显示的效率,约 25% 的具有偏振显示的效率。

伴随着海内外学术界、各大企业对于 Pancake 折叠光路的逐渐深入研究和应用拓展,在 VR 产业兴起的第一浪潮,Pancake 折叠光路也开始逐渐应用落地到 VR Demo 阶段。

2015 年,国内虚拟现实公司多哚科技,美国微显示器制造商 eMagin 先后展出基于 Pancake 光学的工程样机。Pancake 折叠光路在 VR 中的引用后,可以克服传统菲涅尔透镜、非球面透镜的许多问题,特别是在 VR 头显的体积变化之上,几乎可以做到传统光学方案的 1/2甚至更薄。

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历经早期的 Demo 探索与技术矫正,Pancake 折叠光路也慢慢走向商业化。2019 年 4 月,3Glasses 发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 头显 3Glasses X1,裸机重量小于150g;2019 年 9 月,华为正式发布华为VR Glass,采用 Pancake 光学方案,重量仅为 166g;2020 年,PICO 展示了一款面向 B 端市场的分体式 VR 产品 PICO X1 Glasses VR.....

早期基于 Pancake 光学方案的 VR 头显主要是以分体式 VR 为主,无运算存储单元、无 6DoF 追踪,无法独立运行,应用场景十分有限,多用于观影和投屏显示。而进入到 2022 年,采用 Pancake 光学方案的 6DoF VR 一体机开始成为主流,从佩戴体验、显示效果和应用厂商上也更是指数级的提升,PICO 4 则是国内 VR 代表产品之一。

PICO 4的Pancake光学密码一:单片式设计,紧凑分布

Pancake 折叠光路的应用,最大变化在于采用了“折叠式”的光路结构,在保证虚像放大的同时,缩短屏幕到眼睛的直线距离,从而降低光机部分体积,进而达到降低整个头显体积,提高佩戴舒适性的目的。

(一)迭代Pancake,光机厚度缩短15mm

PICO 4采用了独家优化后的单片式 Pancake 折叠光路设计,从大体结构上来看,光学部分主要由屏幕+膜材与镜片+膜材两部分构成,结构看似非常简单,但光路传递过程却异常复杂。

据悉,PICO 4 的光路传导路径——屏幕出射光(圆偏振光)→BS透射(圆偏振光)→QWP出射(垂直线偏振光)→RP反射(垂直线偏振光)→QWP出射(圆偏振光)→BS反射(圆偏振光,旋向相反)→QWP出射(水平线偏振光)→RP透过(水平线偏振光)→LP透过(水平线偏振光)。

PICO式折叠光路设计,图源:PICO

光源由此多次折返最终进入人眼,在较短的 TTL 中,实现光源的聚集与虚像的放大,达成近眼显示功效。

VR陀螺拆解测量得知,PICO 4 的光机模组高约 30mm,单个重量约 37g(含屏幕),相对于上一代采用菲涅尔透镜方案的 PICO Neo3,PICO 4 的 TTL 缩小了 15mm 左右。

左PICO 4,右PICO Neo3;图源:VR陀螺

(二)前置主机内部高效利用,体积缩小38.8%

作为 Pancake 光学应用特点的延伸,光机模组体积的轻量化,同时也会间接减轻 VR 头显内部空间的占用,对 比 PICO Neo3,PICO 4 的内部空间利用率几乎达到了95% (陀螺君拆机目测)以上。

不管是头显正面主板部分,还是背面透镜部分,零部件都十分紧凑,在 PICO 4 壳身内部四周的各类传感器和线材更是十分密集,不放过一丝可利用空间。

上PICO 4外壳,左PICO 4光机铝镁合金背部不含主板,右PICO 4光机部分,含主板;图源:VR陀螺

扩展到整机来看,PICO 4 相对于上代产品 PICO Neo3,头显前端主体厚度减少 38.8%,由 66mm 压缩到了 35 mm,整体重量减少 26.2%,仅为 295g。

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前端主机的重量的降低也进一步提高了 VR 一体机前后配重的均衡性,PICO Neo3 的前后配重比为:395/160=2.24,PICO 4 的前后配重比为 295/187=1.57。

在头显重量一定时,前后配重的合理分配,有助于分摊头显对于用户头部的向下重力,进一步提高用户在佩戴体验 VR 时的舒适性,保证长时间安全健康的使用。

图源:PICO

VR 头显的产品设计,人体工学是重要的组成部分,不过更为核心的还是需要回归到近眼显示的效果研究之上。

PICO 4的Pancake光学密码二:大FOV、降鬼影畸变与物理限制之间的博弈

人眼是一种自然进化的光学成像系统,光线通过可调节的虹膜进入眼睛,虹膜控制光的吞吐量。在被角膜和晶状体折射后,光线在视网膜上形成图像。

与物理世界中的看到即得到不同,VR 近眼显示是典型的间接性成像,它需要依靠光学介质,

最终人眼感知显示效果与头显的 FOV 大小、Eye box 范围、MTF 值等核心光学参数强相关。

(一)105度FOV,兼顾更大Eye-box

在双目视觉中,人类的水平视野 FOV 接近 200°,其中 120° 是双目重叠,VR 头显要想提升沉浸感,那么 FOV 在理论参数上越接近 120°,则越能让用户看到更多画面,减少黑边视觉影响。

据悉,PICO 4 的 FOV 水平方向和垂直方向都达到了 105 度,通过相机实拍(镜头视场角:120度(横向)x 80度(纵向)),结合网格线,可以非常明显看到 PICO 两代产品横向 FOV 大小的进化。在临场感方面,与同价位的 VR 一体机相比,参数较为突出。

上PICO Neo3,下PICO 4,图源:网络

一般来说越大的屏幕越容易做到更大的 FOV,PICO 4 采用了特别定制的两块 2.56 英寸 Fast-LCD 屏幕,该屏幕尺寸高于目前市面上的大多数采用“两块屏”的 VR 头显,这是其培育大 FOV 的基础要素。

由于光学传播过程中没有其他镜片的影响,单片式 Pancake 可以保证在同样镜片直径的情况下把 FOV 做到最大,所以 PICO 4 所采用的单片式 Pancake 光学方案是其造就 105 度大 FOV 的核心要素。

当然,或许 PICO 4 在该屏幕尺寸和光学方案下,还能将 FOV 做到更大,但是它还需要考虑到 Eye-box 的范围(甜蜜点)。

Eye-box 是 AR/VR 光学设计的关键参数,Eye-box 的大小决定了用户看到整个虚拟放大图像的体验。为了确保显示图像始终可见,VR 头显的出口瞳孔 Eye-box 必须大于眼睛运动范围,即 12 毫米。

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对于 VR 显示系统而言,FOV 和 Eye-box 的乘积与设备的空间乘积成正比,并且是有限的。因此,增加 FOV 大小将减少 Eye-box 范围,反之亦然。

所以,PICO 4 在这一光学系统上做出了一个权衡三方的选择,在保证 Pancake 折叠光路带来的轻量化体积的前提下,采用单片式设计,将 FOV 提升至 105 度,并实现了更大的 Eye-box ,这意味用户在使用 VR 时,不用去刻意盯着某一个点以获取虚拟图像,减少眼部疲劳。

在用户体验某些需要大幅度运动的 VR 应用时,如《超燃一刻》,头显可能跟随人体的摆动而发生细微偏移,而更大的 Eye-box 则保证了运动中的 VR 头显一直保持稳定的可视范围。

(二)参考0.6的MTF值,PICO 4光学镜头解析力比Neo3提升85.7%

MTF 是衡量一个光学镜头的核心参数,它是对镜头的解像力的一个定量描述,确切地说是对镜头成像的清晰程度(包含分辨率和锐度两个因素)的一个定量描述。在数码相机或手机相机镜头中,由于需要对外界光线进行精确的把握和捕捉,所以理论上镜片数量越多,光学传递表现也就越好。

这一原理在 VR 头显上同样适用,PICO 的光学技术专家向VR陀螺表示:越多的镜片数量可以带来更多的光学设计优化空间,提升显示效果。但对 Pancake 镜头来说,镜片数量增加会带来其它挑战,如鬼影,重量以及公差控制。——这也是 PICO 采用单片式 Pancake 光学设计的核心考量要素之一。

图源:PICO

已知参考 MTF 0.6,PICO 4 的光学镜头解析力比 Neo3 提升了 85.7%(最大值)。但对于头显而言,因为其透镜光学系统设计,所以一般中心区域 MTF 较高,而边缘较低,而在边缘区域,相较 PICO Neo3,PICO 4 整机的显示清晰度也提升 20% 及以上。

从透镜中心区域到边缘区域光学解析力的整体曲线幅度来看,Pancake 光学镜头替换菲涅尔透镜的光学优势明显,线条较为平滑,不过仍然有待进一步优化。

另外,从入眼亮度来看,相对于上一代采用一块 5.5 英寸屏+菲涅尔透镜的 PICO Neo3,采用2.56 英寸+单片式 Pancake 折叠光路的 PICO 4 入眼亮度更均匀,可以更好还原画面图像色彩。从某种角度上来说,入眼亮度的均匀分布,还能在视力保护方面有一定功效。

左PICO 4,右PICO Neo3,图源:PICO

在单片式 Pancake 折叠光路的加持下,PICO 4 在近眼显示方面优势明显,从大 FOV、大 Eye-box 范围,再到 MTF 值。不过它仍逃不过 Pancake 折叠光路本身物理性质决定的光学缺点,鬼影是其中之一。

(三)鬼影与畸变弱化

由于 Pancake 折叠光路的光学性质,导致光源在折返过程中,存在偏振漏光等形成的杂散光,从而影响到最终入眼呈像效果,这个现象我们叫做”鬼影“。

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由于鬼影是光路设计所造成的,所以在 Pancake 折叠光路设计中,鬼影只能降低弱化,不能完全消除。

据悉,PICO 4 针对鬼影的解决方案主要是通过优化膜材设计和选型,控制光轴角度精度,增加相位补偿膜来实现更好的偏振转化效率,使鬼影整体水平大幅度降低,对比市场上其他使用 Pancake 光学方案的产品,鬼影度下降了一半左右。

鬼影和杂散光还会造成对 比度的下降,PICO 4 使用棋盘格的方式评价对 比度,横向对 比之下,实测对 比度处于优异水平。此外,在畸变方面,透镜显示边缘的棋盘格也不会有明显的方格扭曲,画面模糊化等现象产生。

用于畸变测试样图,图源:VR陀螺

PICO 4的Pancake光学密码三:突破量产的技术瓶颈

从近两年国内外推出的基于 Pancake 折叠光路设计的数款 VR 一体机可以发现,采用 Pancake 技术方案并不难,难的是做到高良率生产,规划化量产与消费级价格。

高良率生产主要体现在贴膜方面。高良率下的批量生产会对 Pancake 折叠光路的工艺提出比传统的光学方案有更高的要求,包括贴膜的精度、质量的管理、精度管控和一致性等方面。

对于 PICO 4 而言,它所采用的单片式 Pancake 光学方案同意遇到了膜材褶皱等问题的挑战。PICO 对 VR陀螺提到:“基于传统的单片式 Pancake 折叠光路设计 ,PICO 4 需要在直径为 40 毫米到 50 毫米的光学镜片上,再均匀地贴上一层膜,这对于膜材的平整度,甚至是灰尘都有非常严苛的要求。膜材的任何一点点瑕疵,都会对整个光学系统造成很大的影响。”

PICO 对整个光学设计进行了改良,通过更精密的工艺实现了波度更小、表面更平整的偏振反射膜,光线梳理得更好,从而实现更高的 MTF 值,更好的入眼清晰度体验。

不同类型品牌会针对自己的市场情况和产品定位,采取不同的技术方案。PICO 4 在选择贴膜方式和做膜系设计的时候平衡了产品的性能和技术成熟度,最终得到 2499 元的消费级价格。这也是 PICO 此次采用的改良版的 Pancake 技术方案,对于行业的一次技术创新意义,极具参考价值。

左PICO 4光学模组,右PICO Neo3光学模组,图源:VR陀螺

结语

VR 产业从 2014 年发展至今,仍有许多问题尚未解决,其中很大部分来自其独特的“近眼显示”系统方面,譬如摆在厂商面前的 Pancake 折叠光路方案其实有很多种:

Pancake 单片的优势是可以保证在同样镜片直径的情况下把 FOV 做到最大,同时可以用一片镜片实现光路的折返,所以鬼影效果会略优于双片设计。

双片的优势是可以实现光学模组的极致轻薄以及更好的清晰度,但成本会略有增加。三片是用更多的镜片来优化光学性能,比如清晰度、畸变,但会增加工艺难度以及物料成本、重量等。

总而言之,单片、双片和三片各有优劣:单片的优势是视野大、成本低、鬼影度好;但双片或三片在清晰度和总厚度方面更有优势。

对于硬件厂商而言,只能在现有的资源中,去做技术突围与商业落地,在提供 VR 头显体积、头戴设计、显示效果、FOV 与 Eye-box 等多方面达到一个相对高参数的同时,保证一个 C 端市场的价格,而 PICO 4 显然是兼顾了以上的各个方面,在这场 Pancake 技术突围和商业落地的博弈之间,找到了最佳平衡点。