台北眼科醫療儀器交流論壇

標題: Pancake的光學密码:一場技術突围與商業落地之間的博弈 [打印本頁]

作者: admin 時間: 2024-5-4 18:14
標題: Pancake的光學密码:一場技術突围與商業落地之間的博弈
對付 VR 圈来讲，2022 年是不服凡的一年。

以客岁全世界超万万台 VR 终端销量為契機，本年 VR 財產存眷度再次拔高，相干政策、本錢資本不竭歪斜。

在各方需求市場、本錢市場的催生下，VR 頭顯的“前沿光學” Pancake 折叠光路設計也冲破技能枷锁，周全落地 VR 终端。

本年以来，已有多款采纳 Pancake 折叠光路設計的 VR 终端產物陸续公布，包含 YVR 二、創维 Pancake 1 系列、遐想 ThinkReality VRX、PICO 4 /4 Pro 和 Quest Pro。

分歧於菲涅尔透镜单一的光學放大道理，Pancake 折叠光路設計的光路設計加倍繁杂，同時也讓其內部機關更具可塑性，重要表示在镜片方案、贴膜和材質的選擇之上，以是今朝市道市情上所有在售的 VR 頭顯的 Pancake 光學方案也相差甚大。

一片、两片，片片分歧，平面、曲面，四平八稳。本文测驗考試以海內 VR 代表產物 PICO 4 為例，從 Pancake 折叠光路設計的光學道理動身，連系两代產物拆機，深度解析 Pancake 折叠光路的“光學暗码”。

圖源：收集

Pancake 光學成长史，源起1962年

先简略回首 Pancake 折叠光路的成长史。

Pancake 折叠光路由“Pancake”和“折叠光路”两部門组成。Pancake 一词意為“煎饼”，最先呈現在科技范畴是指镜頭筒长度短(比直径短)的镜頭，就像在相機镜頭底座上被压扁的“煎饼”同样，是對镜頭外觀的一種客觀描寫，在利用 Pancake 镜頭利用相機中，光芒呈直线傳布。

Pentax-M Pancake光學镜頭設計，圖源：收集

相干資料记錄，1962 年 Pancake 牌号被申请，折叠光路引入偏振觀點，可用於 VR 頭顯的 Pancake 折叠光路設計也正式上线，因為有用焦距（EFL）和光學总长（TTL)的低落，是以 Pancake 折叠光路在業內也被称之為“超短焦”。

利用偏振折叠機制，可以在紧凑的器件內，實現光源的傳输和虚像放大。详细来看，在經典的 Pancake 光學設計中，来自顯示器的光起首經由過程一個圆形偏振器（假如為RCP）和一個半反半透镜，然後經由過程一個1/4相位片（QWP）傳输，该 QWP 将光的偏振改變成 P 偏振。

颠末 QWP 以後是設置装備摆設為反射 P 偏振光的偏振分光棱镜（ PBS），然後光再次穿過 QWP，成為右圆偏振光（RCP）。在它從半反半透镜反射後，成為左圆偏振光（LCP）。LCP 光将經由過程QWP 和 PBS，线性偏振器（LP）的透射轴與 PBS 的透射轴對齐，發射出 S 偏振光，终极進入人眼。

經典 Pancake 光學體系中的偏振状况，圖源：收集

在光的傳导進程中，因為相干膜材對付光效的折损，經典的 Pancake 光學設計可以到達约 12.5% 的無偏振顯示的效力，约 25% 的具備偏振顯示的效力。

陪伴着海表里學術界、各大企業對付 Pancake 折叠光路的逐步深刻@钻%d79OP%研和利%5q5xp%用@拓展，在 VR 財產鼓起的第一海潮，Pancake 折叠光路也起頭逐步利用落地到 VR Demo 阶段。

2015 年，海內虚拟實際公司多哚科技，美國微顯示器制造商 eMagin 前後展出基於 Pancake 光學的工程样機。Pancake 折叠光路在 VR 中的援用後，可以降服傳统菲涅尔透镜、非球面透镜的很多問题，出格是在 VR 頭顯的體积變革之上，几近可以做到傳统光學方案的 1/2乃至更薄。

圖源：收集

历經初期的 Demo 摸索與技能改正，Pancake 折叠光路也渐渐走向贸易化。2019 年 4 月，3Glasses 公布了采纳 Pancake 光學方案的 VR 頭顯 3Glasses X1，裸機重量小於150g；2019 年 9 月,華為正式公布華為VR Glass，采纳 Pancake 光學方案，重量仅為 166g；2020 年，PICO 展現了一款面向 B 端市場的分體式 VR 產物 PICO X1 Glasses VR.....

初期基於 Pancake 光學方案的 VR 頭顯主如果以分體式 VR 為主，無運算存储单位、無 6DoF 追踪，没法自力運行，利用場景十分有限，多用於觀影和投屏顯示。而進入到 2022 年，采纳 Pancake 光學方案的 6DoF VR 一體機起頭成為主流，從佩带體驗、顯示结果和利用厂商上也更是指数级的晋升，PICO 4 则是海內 VR 代表產物之一。

PICO 4的Pancake光學暗码一：单片式設計，紧凑散布

Pancake 折叠光路的利用，最大變革在於采纳了“折叠式”的光路布局，在包管虚像放大的同時，收缩屏幕到眼睛的直线間隔，從而低落光機部門體积，進而到達低落全部頭顯體积，提高佩带恬静性的目標。

（一）迭代Pancake，光機厚度收缩15妹妹

PICO 4采纳了独家優化後的单片式 Pancake 折叠光路設計，從大要布局上来看，光學部門重要由屏幕+膜材與镜片+膜材两部門组成，布局看似很是简略，但光路通報進程却异样繁杂。

据悉，PICO 4 的光路傳导路径——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（程度线偏振光）→RP透過（程度线偏振光）→LP透過（程度线偏振光）。

PICO式折叠光路設計，圖源：PICO

光源由此屡次折返终极進入人眼，在较短的 TTL 中，實現光源的汇集與虚像的放大，告竣近眼顯示成果。

VR陀螺拆解丈量得悉，PICO 4 的光機模组高约 30妹妹，单個重量约 37g（含屏幕），相對付上一代采纳菲涅尔透镜方案的 PICO Neo3，PICO 4 的 TTL 缩小了 15妹妹摆布。

左PICO 4，右PICO Neo3；圖源：VR陀螺

（二）前置主機內部高效操纵，體积缩小38.8%

作為 Pancake 光學利用特色的延长，光機模组體积的轻量化，同時也會間接减轻 VR 頭顯內部空間的占用，比拟 PICO Neo3，PICO 4 的內部空間操纵率几近到達了95% （陀螺君拆機目测）以上。

不论是頭顯正面主板部門，仍是後背透镜部門，零部件都十分紧凑，在 PICO 4 壳身內部附近的各種傳感器和线材更是十分密集，不放過一丝可操纵空間。

上PICO 4外壳，左PICO 4光機铝镁合金背部不含主板，右PICO 4光機部門，含主板；圖源：VR陀螺

扩大到整機来看，PICO 4 相對付上代產物 PICO Neo3，頭顯前端主體厚度削减 38.8%，由 66妹妹紧缩到了 35 妹妹，总體重量削减 26.2%，仅為 295g。

圖源：收集

前端主機的重量的低落也進一步提高了 VR 一體機先後配重的平衡性，PICO Neo3 的先後配重比為：395/160=2.24，PICO 4 的先後配重比為 295/187=1.57。

在頭顯重量必定時，先後配重的公道分派，有助於分摊頭顯對付用户頭部的向下重力，進一步提高用户在佩带體驗 VR 時的恬静性，包管长時候平安康健的利用。

圖源：PICO

VR 頭顯的產物設計，人體工學是首要的構成部門，不外更加焦點的仍是必要回归到近眼顯示的结果钻研之上。

PICO 4的Pancake光學暗码二：大FOV、降鬼影畸變與物理限定之間的博弈

人眼是一種天然進化的光學成像體系，光芒經由過程可调理的虹膜進入眼睛，虹膜节制光的吞吐量。在被角膜和晶状體折射後，光芒在視網膜上構成圖象。

與物理世界中的看到即获得分歧，VR 近眼顯示是典范的間接性成像，它必要寄托光學介質，

终极人眼感知顯示结果與頭顯的 FOV 巨细、Eye box 范畴、MTF 值等焦點光學参数强相干。

（一）105度FOV，分身更大Eye-box

在雙目視觉中，人類的程度視线 FOV 靠近 200°，此中 120° 是雙目堆叠，VR 頭顯要想晋升沉醉感，那末 FOV 在理论参数上越靠近 120°，则越能讓用户看到更多画面，削减黑邊視觉影响。

据悉，PICO 4 的 FOV 程度標的目的和垂直標的目的都到達了 105 度，經由過程相機實拍（镜頭視場角：120度（横向）x 80度（纵向）），連系網格线，可以很是较着看到 PICO 两代產物横向 FOV 巨细的進化。在临場感方面，與同價位的 VR 一體機比拟，参数较為凸起。

上PICO Neo3，下PICO 4，圖源：收集

一般来讲越大的屏幕越轻易做到更大的 FOV，PICO 4 采纳了出格定制的两块 2.56 英寸 Fast-LCD 屏幕，香氛乳液噴霧,该屏幕尺寸高於今朝市道市情上的大大都采纳“两块屏”的 VR 頭顯，這是其培養大 FOV 的根本要素。

因為光學傳布進程中没有其他镜片的影响，单片式 Pancake 可以包管在一样镜片直径的环境下把 FOV 做到最大，以是 PICO 4 所采纳的单片式 Pancake 光學方案是其培養 105 度大 FOV 的焦點要素。

固然，也许 PICO 4 在该屏幕尺寸和光學方案下，還能将 FOV 做到更大，可是它還必要斟酌到 Eye-box 的范畴（甜美點）。

Eye-box 是 AR/VR 光學設計的關頭参数，Eye-box 的巨细决议了用户看到全部虚拟放大圖象的體驗。為了确保顯示圖象始终可見，VR 頭顯的出口瞳孔 Eye-box 必需大於眼睛活動范畴，即 12 毫米。

圖源：收集

對付 VR 顯示體系而言，FOV 和 Eye-box 的乘积與装備的空間乘积成正比，而且是有限的。是以，增长 FOV 巨细将削减 Eye-box 范畴，反之亦然。

以是，PICO 4 在這一光學體系上做出了一個掂量三方的選擇，在包管 Pancake 折叠光路带来的轻量化體积的条件下，采纳单片式設計，将 FOV 晋升至 105 度，并實現了更大的 Eye-box ，這象征用户在利用 VR 時，不消去决心盯着某一個點以获得虚拟圖象，削减眼部委靡。

在用户體驗某些必要大幅度活動的 VR 應历時，如《超燃一刻》，頭顯可能跟從人體的摆動而產生渺小偏移，而更大的 Eye-boxDIY手鍊, 则包管了活動中的 VR 頭顯一向連结不乱的可視范畴。

（二）参考0.6的MTF值，PICO 4光學镜頭解析力比Neo3晋升85.7%

MTF 是权衡一個光學镜頭的焦點参数，它是對镜頭的解像力的一個定量描寫，切當地說是對镜頭成像的清楚水平（包括辨别率和锐度两個身分）的一個定量描寫。在数码相機或手機相機镜頭中，因為必要對外界光芒举行切确的掌控和捕获，以是理论上镜片数目越多，光學通報表示也就越好。

這一道理在 VR 頭顯上一样合用，PICO 的光學技能專家向VR陀螺暗示：越多的镜片数目可以带来更多的光學設計優化空間，晋升顯示结果。但對 Pancake 镜頭来讲，镜片数目增长會带来其它挑战，如鬼影，重量和公役节制。——這也是 PICO 采纳单片式 Pancake 光學設計的焦點考量要素之一。

圖源：PICO

已知参考 MTF 0.6，PICO 4 的光學镜頭解析力比 Neo3 晋升了 85.7%（最大值）。但對付頭顯而言，由於其透镜光學體系設計，以是一般中間區域 MTF 较高，而邊沿较低，而在邊沿區域，相较 PICO Neo3，PICO 4 整機的顯示清楚度也晋升 20% 及以上。

從透镜中間區域到邊沿區域光學解析力的总體曲线幅度来看，Pancake 光學镜頭更换菲涅尔透镜的光學上風较着，线条较為腻滑，不外依然有待進一步優化。

此外，從入眼亮度来看，相對付上一代采纳一块 5.5 英寸屏+菲涅尔透镜的 PICO Neo3，采纳2.56 英寸+单片式 Pancake 折叠光路的 PICO 4 入眼亮度更平均，可以更好還原画面圖象色采。從某種角度上来讲，入眼亮度的平均散布，還能在目力庇护方面有必定成果。

左PICO 4，右PICO Neo3，圖源：PICO

在单片式 Pancake 折叠光路的加持下，PICO 4 在近眼顯示方面上風较着，從大 FOV、大 Eye-box 范畴，再到 MTF 值。不外它仍逃不外 Pancake 折叠光路自己物理性子决议的光學错误谬误，鬼影是此中之一。

（三）鬼影與畸變弱化

因為 Pancake 折叠光路的光學性子，致使光源在折返進程中，存在偏振漏光等構成的杂散光，從而影响到终极入眼呈像结果，這個征象咱們叫做”鬼影“。

圖源：收集

因為鬼影是光路設計所酿成的，以是在 Pancake 折叠光路設計中，鬼影只能低落弱化，不克不及彻底解除。

据悉，PICO 4 针對鬼影的解决歐冠杯投注,方案主如果經由過程優化膜材設計和選型，节制光轴角度精度，增长相位抵偿膜来實現更好的偏振轉化效力，使鬼影总體程度大幅度低落，比拟市場上其他利用 Pancake 光學方案的產物，鬼影度降低了一半摆布。

鬼影和杂散光還會造成比拟度的降低，PICO 4 利用棋盘格的方法评價比拟度，横向比拟之下，實测比拟度处於優秀程度。别的，在畸變方面，透镜顯示邊沿的棋盘格也不會有较着的方格扭曲，画面模胡化等征象發生。

用於畸變测試样圖，圖源：VR陀螺

PICO 4的Pancake光學暗码三：冲破量產的技能瓶颈

從近两年國表里推出的基於 Pancake 折叠光路設消除外痔肉球，计的数款 VR 一體機可以發明，采纳 Pancake 技能方案其實不難，難的是做到高良率出產，计劃化量產與消费级代價。

高良率出產重要體如今贴膜方面。高良率下的批量出產會對 Pancake 折叠光路的工艺提出比傳统的光學方案有更高的请求，包含贴膜的精度、質量的辦理、精度管控和一致性等方面。

對付 PICO 4 而言，它所采纳的单片式 Pancake 光學方案赞成碰到了膜材褶皱等問题的挑战。PICO 對 VR陀螺提到：“基於傳统的单片式 Pancake 折叠光路設計，PICO 4 必要在直径為 40 毫米到 50 毫米的光學镜片上，再平均地贴上一层膜，這對付膜材的平整度，乃至是尘土都有很是严苛的请求。膜材的任何一點點瑕疵，城市對全部光學體系造成很大的影响。”

PICO 對全部光學設計举行了改進，經由過程更紧密的工艺實現了波度更小、概况更平整的偏振反射膜，光芒梳理得更好，從而實現更高的 MTF 值，更好的入眼清楚度體驗。

分歧類型品牌會针對本身的市場环境和產物定位，采纳分歧的技能方案。PICO 4 在選擇贴膜方法和做膜系設計的時辰均衡了產物的機能和技能成熟度，终极获得 2499 元的消费级代價。這也是 PICO 這次采纳的改進版的 Pancake 技能方案，對付行業的一次技能立异意义，极具参考價值。

左PICO 4光學模组，右PICO Neo3光學模组，圖源：VR陀螺

结语

VR 財產從 2014 年成长至今，仍有很多問题還没有解决，此中很大部門来自其怪异的“近眼顯示”體系方面，比方摆在厂商眼前的 Pancake 折叠光路方案實在有不少種：

Pancake 单片的上風是可以包管在一样镜片直径的环境下把 FOV 做到最大，同時可以用一片镜片實現光路的折返，以是鬼影结果會略優於雙片設計。

雙片的上風是可以實現光學模组的极致浮滑和更好的清楚度，但本錢會略有增长。三片是用更多的镜片来優化光學機能，好比清楚度、畸變，但會增长工艺難度和物料本錢、重量等。

总而言之，单片、雙片和三片各有好坏：单片的上風是視线大、本錢低、鬼影度好；但雙片或三片在清楚度和总厚度方面更有上風。

對付硬件厂商而言，只能在現有的資本中，去做技能突围與贸易落地，在供给 VR 頭顯體积、頭戴設計、顯示结果、FOV 與 Eye-box 等多方面到達一個相對於高参数的同時，包管一個 C 端市場的代價，而 PICO 4 明顯是分身了以上的方方面面，在這場 Pancake 技能突围和贸易落地的博弈之間，找到了最好均衡點。

歡迎光臨台北眼科醫療儀器交流論壇 (http://bbs.in-handtools.com/)