昇旸光学-超短焦光学领先者

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VisionPro之于XR Pancake光学方案分析

来源：MicroDisplay 2023-07-28 16:56 原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/orrZHKkdUiD5juwV0gh26g

VR 光学按照光路设计可以分成垂直光路、折叠光路，复合光路以及特定光路四种方案。垂直光路方案包括非球面透镜和菲涅尔透镜，一般采用单透镜设计，利用光的折射原理；折叠光路方案利用光的折射、反射和偏振原理，通过折叠式光学元件实现更短的光路；复合光路方案利用光的反射、折射等原理融合成像，可实现动态变焦；特定光路所采用的元件超表面/超透镜，是由亚波长尺度单元构成的二维平面结构，能够实现对光路的任意调控。三大主流方案各具优势，Pancake 方案在轻薄化、成像质量、屈光调节等方面表现更佳。综合来看，非球面透镜具有成本低的优势，但模组较为厚重，菲涅尔透镜普及后基本被弃用；菲涅尔透镜是介于非球面透镜和 Pancake 方案之间的折中方案；Pancake 折叠光路是近两年高端 VR/MR 头显的标配，苹果 VisionPro 的采用也进一步论证了该技术的产业方向。

VR 光学方案介绍

通过光源在透镜内部多次传导，Pancake 光学将光学总长压缩到了极致从而让 VR 产品达到极致的轻薄，大大提升终产品的美学设计和佩戴舒适性，同时还能改善边缘模糊边缘眩光、增加屈光度等。在光学传递过程中，通常使用的内部镜片越多，MTF 值越高，头显清晰度也就越高，常规方案采用二片或三片式，成像质量与花费成本随镜片数量上升而上涨。

1962 年 Pancake 折叠光路设计被发明，由于有效焦距（EFL）和光学总长（TTL)的降低，Pancake 折叠光路也被称之为超短焦。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。

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，之后搭载于 3Glasses 的3GlassesX1（整机重量小于 150g）、华为的 VRGlass（整机 166g）、Pico4、2023 年苹果的 VisionPro 等。

目前 Pancake 模组的技术难度主要体现在膜材料质量、贴膜工艺和组装调整三方面。相比传统非球面透镜和菲涅尔透镜，Pancake 模组功能优势在于光路折叠，光学膜在成像中起到了至关重要的作用，因此膜材料的质量和贴膜工艺相对应构成了技术核心。同时 Pancake 方案光路设计复杂，组装和对齐调整要求很高。膜材方面，高质量达标反射偏振片与 1/4 相位延时片以海外供应为主，膜材质量的标准和对应要求较高，目前供应商以海外厂商 3M 等为主。贴膜工艺方面，光学贴膜分为平面贴膜和曲面贴膜，其中曲面贴膜可以带来更大的 FOV 和更好的成像质量，但是工艺难度较大，容易边缘褶皱和翘起；组装调整方面，Pancake 光路精度高敏感，对位要求严苛，高精度设备在 Pancake 组装过程中起到关键的效率和良率提升作用。

经典 Pancake 光学系统中的偏振状态

专利指示苹果 Pancake 采用特殊技术克服一般 Pancake 对一般四分之一滤波片的限制：根据苹果的光学相关专利，我们推测苹果 VisionPro 使用定制的三片折叠光路镜片：苹果的光学专利最早记录于 2017 年（通常专利的发布时间在申请的 18 个月以后），最晚记录在 2021 年。专利号 US20210132349A1 的专利指出，标注为 28的四分之一波片圆柱形环绕镜片 26、32 的 S6 与 S7 表面。镜片 26 与 32 使用具有特殊功能的单元件透镜来转换偏振光，通过这种方式，VisionPro 克服了其他 Pancake 要求 QWP 层至少具有一个平坦表面的局限性。

苹果 Pancake 示意图（左）与苹果 US20210132349A1 专利图示（右）

根据 Hypervision 的技术分析，Vision Pro 的视场在 100~110°之间，实际 PDD 约为 40。Vision Pro Pancake 光学元件的优点是眼睛附近的凹面允许实现具有大 FoV 的相对紧凑的光学元件。通过分析镜头和 uDisplay 的 WEB 图片并大致了解尺寸，我们做了以下假设：（1）瞳距（IPD）65mm（默认），预计可调；根据介绍有 3 种模式；（2）眼睛距离（ER）12 毫米。（3）左右视觉模块之间有一些倾斜，假设 5°；（4）显示有效面积：27.6x22.8 毫米。基于以上假设的建模如下图所示。进一步推论，水平方向：鼻部 50°+颞部 60°；总计单眼水平 50+60°=110°；生物眼水平 2x60°=120°；立体重叠部分：2x50°=100°；垂直方向：顶部 45°+底部 45°；因此垂直 FoV=90°。

VisionPro 场视角/PDD 预估图示

对于 PPD 计算，做出以下假设：每个视角与显示中心的线性偏移，像素大小为 7.395um；基于假设的纵横比，方形间距，并给定每两个显示器 23Mpx。假设（2）和显示屏尺寸导致分辨率为 3，732x3083。最有可能正确的水平分辨率是 3840，是标准 1920 的两倍。通过假设（1）+假设 FoV，通过使用垂直 FoV 和分辨率，计算出的 PPD 为 3，083px/90°~34[ppd]。考虑到 PPD 可能是非线性的，中心最佳点的结果可能相差+/-10%。此外，实际的 FoV 和分辨率纵横比可能不同，对于较低的 FoV 和较高的像素数+非线性，实际 PPD 可能达到40。

2022 年以来新发布的主流品牌旗舰机型已经广泛采用 Pancake 模组。将几款 Pancake VR 头显的参数对比，Vision Pro 的实际 FOV 处在领先水平，整机重量适中，相比 Meta Quest Pro 更轻便；但 Pico 4、HTC Vive Flow 等将整机重量做到了 300g 以内。

Pancake 模组 VR 头显对比

来源：整理于中信建投

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