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从头盔到眼镜,超短焦光学如何成为VR产品进化路上的“瘦身良药”?

2020-06-17 11:20
VR陀螺
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从去年开始,采用短焦光学方案的VR显示器开始走进大众视野。 如果将VR头显比作一个大胖子,那VR眼镜则是前者完成了各项健美计划后的样子。正如人人都爱帅哥美女一样,“瘦身”成功的VR眼镜凭借着一副“苗条身姿”吸引了不少VR爱好者的目光。所谓VR产品的“健美计划”,其实就是VR头显从传统光学向超短焦光学落地普及的过程。 去年4月,深圳VR设备厂商3Glasses发布首款VR眼镜产品X1,预示着短焦VR光学正式走向消费级市场;同年9月,Oculus在Connect 6开发者大会上公布了Half Dome 3原型机,其在短焦光学变焦显示技术上取得的优异成果为日后落地小型VR设备铺平了道路;华为、Pico紧随其后,也分别发布了自家的VR眼镜产品。 不难看出,VR显示器的“健美计划”已是初现成效。但这是否就是超短焦光学方案的最终形态了?是否意味着VR眼镜就一定会成为替代VR头显的存在,成为新的主流?让我们从短焦光学的原理开始,逐一解答上述问题。

超短焦光学方案 VR设备的“瘦身良药”

国内最早推出超短焦方案VR产品,是在2016年。当时,国内厂商多哚(Dlodlo)推出首款VR眼镜:其正面酷似一个飞行眼罩,重量则只有78g。对于当时手机盒子横行的VR市场而言,这款产品着实令人眼前一亮,然而最终也没能等到它量产上市的一天。

从初次冒头至今,短焦光学已打磨发展了4年时间。这期间,以FOV从小到大来分有自由曲面和基于反射偏振的折叠光路(Pancake)两种方案,这在VR产品设计中比较常见。

1、落地:Pancake

若按照可量产程度来分,反射偏振的折叠光路(Pancake)当属第一。 Pancake可以细分为两片式和多片式两种折返方案,目前市面上常见的两片式居多,由于其对生产工艺的要求简单,成本可控且成像效果有保障,因此也是目前大多数VR眼镜所采用的短焦光学方案。 我们知道,VR头显通过一组凸透镜实现成像,通常需要保持屏幕与人眼3cm左右的间隔,从而增加设备厚度。基于Pancake技术方案的VR眼镜,图像源进入半反半透功能的镜片之后,光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返,最终从反射式偏振片射出。通过此种光学方案,能极大的缩小了产品体积。

Pancake原理 Pancake方案的核心,是当半反半透功能的镜片加在其中,折返的过程会造成重影的负面产物并直接影响成像质量,而偏振膜(起偏器)的使用得以消除这些负面的影响。 影创董事长孙立告诉VR陀螺:“LCD屏幕自带偏振,只需要在镜片上镀一层偏振膜,那么在第一次折返的时候就能尽量达到全反,第二次光进入时偏振状态会变化,因此透射效率会变得很高,反射效率会变得很低,这样就不会看到明显的重影。如果是OLED屏幕,那么一开始就会通过偏振膜(起偏器),这一过程会让其亮度降低一半左右。” 多片式(一般指5到6片)的折返方案,就是利用比常规微显示屏更小的硅基微显示屏以及更多的镜片堆叠来设计光路。由于相比两片折返方案结构上更加紧凑,因此VR眼镜的体积会减少更多。但是,多片折返方案中光学镜片越多,组装以及镀膜的难度也就越大。 Pico产品负责人称:“影响Pancake光学质量的,主要在注塑精度、杂散光、光轴对准调焦、脏污等问题上。所以相较而言,共轴自由曲面是更加有效的改善方案,由于是反射式系统,畸变和色差的影响不是很大,所以在设计时,在考虑的权重上不大。”

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