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微显示器科普——Pancake光学方案浏览数:257

VR光学方案,有非球面镜片、菲涅尔透镜、Pancake,目前业界公认的趋势是Pancake,新出的VR产品越来越多采用Pancake方案,如最近发布的arpara AIO VR一体机、YVR2和创维的PANCAKE 1即将发布的Pico 4、苹果MR、Meta的Cambria等。其原因很直接:Pancake可以极大地压缩VR眼镜的体积,镜片厚度也明显降低。如下图,相比菲涅尔光机系统,Pancake可以缩减一半的厚度,这可以极大地提升用户的佩戴舒适度。

图片图源:YVR

因此本文针对Pancake进行一下探讨,希望大家能有所收获。Pancake中文含义为折叠光路,其压缩体积的原因即通过光路折叠使得在更小的模组厚度下,实现同等的光路总长即同样的放大效果。其具体结构和光路如下图所示:

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1,由显示屏发出的光先经过偏光片,变为线偏振光(偏振方向p),此时亮度损失一半;
2,经过1/4波片变为圆偏振光,然后经过半透半反膜,亮度第二次损失一半;
3,经过第二个1/4波片,圆偏振光又变成了线偏振光(偏振方向s),但是偏振方向和之前垂直;
4,s向偏振光被透p反s的反射偏光片反射回去,再次经过1/4波片变为圆偏光;
5,进入透镜1,然后被半透半反膜反射回来,形成折叠光路,同时亮度第三次损失一半;

6,经过1/4波片,形成p向偏振光,此光可以通过反射偏光片,经过透镜2到达人眼。

简单说明一下偏振光:自然光存在传播方向和偏振方向,偏振方向在传播方向的法平面上,无规则取向,经过偏振片后,只剩下一个偏振方向上的光,称为线偏振光。该偏光片可理解为起偏器,作用是将自然光变为偏振光,然后在后端也放置一个偏光片,称为检偏器,此时就只有某个偏振方向的光可以透过。在Pancake光路中,通过改变光的偏振方向,控制光的反射或透过。
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圆偏振光是偏振方向呈现圆轨迹的偏振光,其与线偏振光可以利用1/4波片相互转换,在Pancake里用来扭转线偏振光的偏振方向。

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根据上述原理说明,Pancake光学对光的损失是比较大的,对于LCD,其自带偏光片,因此其极限光效是25%,对于Micro OLED,其极限光效为12.5%。但Micro OLED亮度要超过LCD两倍,同时由于PPI、响应速度、色域等优势,高端VR的主流选择是Pancake + Micro OLED方案。

Pancake最大的好处是体积小,其原因如上文所述。另一个好处是可以进行屈光度调节,这对广大的近视患者是极其友好的。此外Pancake光学通过透镜组合,可以提高透镜边缘成像质量,降低图像畸变,提高成像对比度、清晰度、细腻度。

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除了光损较大之外,Pancake还存在伪影和FOV小的问题。伪影是因为光路会出现双折射从而容易形成伪影,需要通过增加透镜数量、优化光路、优化材料等方式降低双折射现象来改善。FOV小是因为压缩了TTL(Total Track Length),同时一般搭配Micro OLED其屏幕尺寸一般较小(<1.4in),导致成像尺寸即FOV受限。

本文简单介绍了Pancake相关知识,Pancake相关研究越来越热,技术越来越成熟,相信我们将享受到体验感更佳的VR产品,先期待一下苹果的作业。

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