文章来源于互联网: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。