華為VR產(chǎn)品
本篇文章闡述偏振學(xué)在VR中的應(yīng)用，主要是針對(duì)借助偏振光特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光路折疊的折反式VR光學(xué)方案的專利剖析，并結(jié)合專利中的某一個(gè)方案進(jìn)行光學(xué)建模及剖析。本文會(huì)涉及到反射式偏振光片（膜）、1/4相位延后片，以及線偏振和圓偏振的應(yīng)用。
1）背景介紹
如圖1所示，常見的VR光學(xué)方案是采用單片折射式透鏡，通常是采用非曲面透鏡或菲涅爾透鏡。從功能上來說，VR透鏡就是一個(gè)放大鏡，將顯示元件（LCD、OLED等）上的圖象放大，在用戶眼前的一定距離上產(chǎn)生一個(gè)放大的實(shí)像。
圖1單片折射式透鏡VR光學(xué)方案
圖1中的非球面透鏡的長(zhǎng)度一般是在10~15mm左右，透鏡后側(cè)表面頂點(diǎn)距離顯示器表面大約是30~40mm左右，用戶的耳朵距離透鏡右邊表面頂點(diǎn)大約是15~20mm左右。為此，圖1中的光路總長(zhǎng)（從用戶雙眼到顯示器）大約是60mm左右。考慮到VR頭戴顯示器的硬件電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其整體長(zhǎng)度在80mm左右，整機(jī)重量在400g~500g左右。將接近一斤重的東西置于身上，配戴半小時(shí)以上會(huì)是怎么一種體會(huì)？相信體驗(yàn)過VR頭顯的讀者應(yīng)當(dāng)深有感悟。
雖然將非球面透鏡換成菲涅爾透鏡，其長(zhǎng)度也不過只能減少8mm左右，作用相當(dāng)有限。為了就能明顯降低VR頭顯的整體長(zhǎng)度，最可行的方案就是將VR光路總長(zhǎng)明顯減少，本文即將剖析的專利中的光學(xué)方案就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
2）專利剖析
本文的專利剖析是基于3M公司早已公布的專利。有想要這篇專利的男子伴可以在公眾號(hào)里回復(fù)自己的郵箱，我會(huì)把專利文件發(fā)送到你的郵箱。
為了有效降低VR光路總長(zhǎng)，考慮把單片折射式透鏡更換為折反式光學(xué)方案，借助光的反射來減短光路總長(zhǎng)，如圖2所示。圖2所示方案是3M專利其中的一種，其他方案詳見專利。
圖23M專利中的折反式VR光學(xué)方案
下邊依照?qǐng)D2解釋該光學(xué)方案的工作原理。該方案包含有兩個(gè)彎月形透鏡（Lens1912、Lens1922）和一個(gè)顯示面板（），1935是入瞳面，可以覺得是用戶的耳朵眼瞳所在的位置。為了解釋便捷，將Lens1912稱為透鏡1，將Lens1922稱為透鏡2。
我們從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度來剖析光線的傳播方向，即光線從入瞳面1935發(fā)出，穿過透鏡1的右側(cè)表面11和兩側(cè)表面12后，入射至透鏡2的一側(cè)表面21后發(fā)生部份反射（表面21鍍有部份反射膜），之后入射至透鏡1的左側(cè)表面12后發(fā)生偏振光反射（表面12鍍有反射偏振光片和1/4相位延后片），之后再穿過透鏡2，最終抵達(dá)顯示面板表面1930。實(shí)際的光線傳播方向與上述路徑恰巧相反，即光線從顯示面板發(fā)出，最終抵達(dá)用戶的眼瞳（入瞳面1935）。
透鏡2的一側(cè)表面21鍍有部份反射膜（），部份反射膜的作用是既可以透過一部份光線，又可以反射一部份光線，最典型的就是半反半透膜。部份反射膜可以是金屬膜，可以是介質(zhì)膜，也可以是二者的混和膜層。須要注意的是，部份反射膜不改變光的偏振光特點(diǎn)。
透鏡1的左側(cè)表面鍍有反射偏動(dòng)圈（）和1/4相位延后片（wave，業(yè)內(nèi)習(xí)慣稱之為相位延后片或則波片）。這兒所說的“鍍”并不是傳統(tǒng)意義上的鍍膜技術(shù)。專利中有說到，反射偏動(dòng)圈是事先制備好的平原液層，之后通過熱彎成形技術(shù)使其成為特定的二維曲面，并不是直接在透鏡的二維曲面上直接鍍膜的。須要注意的是，1/4相位延后片必需要在反射偏動(dòng)圈的前面，假如次序反了，該系統(tǒng)就不能正常工作了。
既然采用了偏振光反射，該系統(tǒng)中的成像光束都應(yīng)當(dāng)是偏振，這么顯示面板發(fā)出的光也必須是偏振。其實(shí)專利中并未明晰說明顯示面板采用的是哪種偏振，但通過剖析，可以推測(cè)該方案中的顯示面板發(fā)出的只可能是圓偏振（左旋或右旋圓偏振）。
圖3偏振光線傳播示意圖
圖3給出了光線在傳播路徑上的偏振光特點(diǎn)，圖中省略了圓偏振經(jīng)過1/4相位延后片后與線偏振的轉(zhuǎn)換過程。透鏡1左側(cè)表面的紅色和白色膜層分別代表反射偏動(dòng)圈和1/4相位延后片，透鏡2兩側(cè)白色膜層代表部份反射膜。圖中逆秒針方向的紅色箭頭代表左旋圓偏振，順秒針方向的藍(lán)色箭頭代表右旋圓偏振。
假定顯示面板發(fā)出的是左旋圓偏振，穿過透鏡2以后，入射至透鏡1右邊表面12上。因?yàn)?/4相位延后片在下層，所以光線先穿過1/4相位延后片，則左旋圓偏振會(huì)弄成線偏振。按照1/4相位延后片的快慢軸方向，左旋圓偏振可能會(huì)變?yōu)樗骄€偏振，也可能會(huì)弄成垂直線偏振。假定光線弄成了垂直線偏振（即s偏振，偏振光方向與圖3中的x軸平行，垂直于紙面），之后入射至反射偏動(dòng)圈上。反射偏動(dòng)圈可以反射s偏振眼鏡透鏡成像原理，透過水平線偏振（即p偏振）。因此，s偏振被反射后，再度穿過1/4相位延后片，弄成了右旋圓偏振。右旋圓偏振入射至鍍有部份反射膜的面21上被反射，反射后的右旋圓偏振第三次穿過1/4相位延后片以后，弄成了p偏振（偏振光方向與圖3中的Y軸平行），此歲月線可以透過反射偏動(dòng)圈，最后穿過透鏡1抵達(dá)入瞳面。
3）案例剖析
按照前面剖析的折反式VR光學(xué)方案，進(jìn)行建模并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如圖4所示的光學(xué)設(shè)計(jì)方案。透鏡1采用PMMA材料，透鏡2采用E48R材料。
圖4Zemax優(yōu)化設(shè)計(jì)案例
該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，全視場(chǎng)角90°，入瞳半徑6mm，入瞳距離15mm，系統(tǒng)有效焦距23mm，系統(tǒng)總長(zhǎng)為27.85mm，只有圖1所示的傳統(tǒng)VR光學(xué)方案系統(tǒng)總長(zhǎng)的一半，可以明顯降低VR整機(jī)的長(zhǎng)度。最大視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的畸變量為-14.5%，也顯著大于傳統(tǒng)VR光學(xué)方案。
表1折反式VR光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
圖5給出了該VR光學(xué)系統(tǒng)在6mm入瞳半徑情況下對(duì)應(yīng)的MTF曲線。在空間頻度20lp/mm處，最大視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的MTF值小于0.2。20lp/mm的空間頻度對(duì)應(yīng)的顯示元件象素規(guī)格為25um。因而，與傳統(tǒng)VR光學(xué)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有特別好的成像質(zhì)量。
圖5折反式VR光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線
按照以上設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角都是90°進(jìn)行估算，則該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的顯示面板規(guī)格是39..4mm，對(duì)角線規(guī)格是55.72mm（~2.2inch），而相同視場(chǎng)角的傳統(tǒng)VR光學(xué)方案對(duì)應(yīng)的顯示面板規(guī)格大約是3.5inch左右。
經(jīng)過以上光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果剖析，對(duì)比傳統(tǒng)VR光學(xué)方案，折反式光學(xué)方案的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：
a）光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)明顯減短，減短約50%；
b）光學(xué)成像質(zhì)量（MTF）明顯增強(qiáng)，相同視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的畸變量減少；
c）在相同視場(chǎng)角下眼鏡透鏡成像原理，系統(tǒng)所需的顯示面板規(guī)格顯著降低，可以減少成本。
目前，采用上述折反式光學(xué)方案的VR產(chǎn)品有多哚的V1（之前拆解過），可能采用上述方案的產(chǎn)品有華為的VRGlass，平行現(xiàn)實(shí)科技的VR。