華為VR產品
本篇文章闡述偏振學在VR中的應用，主要是針對借助偏振光特點實現光路折疊的折反式VR光學方案的專利剖析，并結合專利中的某一個方案進行光學建模及剖析。本文會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用。
1）背景介紹
如圖1所示，常見的VR光學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生一個放大的實像。
圖1單片折射式透鏡VR光學方案
圖1中的非球面透鏡的長度一般是在10~15mm左右，透鏡后側表面頂點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大約是15~20mm左右。為此，圖1中的光路總長（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構設計，其整體長度在80mm左右，整機重量在400g~500g左右。將接近一斤重的東西置于身上，配戴半小時以上會是怎么一種體會？相信體驗過VR頭顯的讀者應當深有感悟。
雖然將非球面透鏡換成菲涅爾透鏡，其長度也不過只能減少8mm左右，作用相當有限。為了就能明顯降低VR頭顯的整體長度，最可行的方案就是將VR光路總長明顯減少，本文即將剖析的專利中的光學方案就可以實現這個目標。
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里回復自己的郵箱，我會把專利文件發送到你的郵箱。
為了有效降低VR光路總長，考慮把單片折射式透鏡更換為折反式光學方案，借助光的反射來減短光路總長，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光學方案
下邊依照圖2解釋該光學方案的工作原理。該方案包含有兩個彎月形透鏡（Lens1912、Lens1922）和一個顯示面板（），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。
我們從光學設計的角度來剖析光線的傳播方向，即光線從入瞳面1935發出，穿過透鏡1的右側表面11和兩側表面12后，入射至透鏡2的一側表面21后發生部份反射（表面21鍍有部份反射膜），之后入射至透鏡1的左側表面12后發生偏振光反射（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，最終抵達顯示面板表面1930。實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出，最終抵達用戶的眼瞳（入瞳面1935）。
透鏡2的一側表面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。
透鏡1的左側表面鍍有反射偏動圈（）和1/4相位延后片（wave，業內習慣稱之為相位延后片或則波片）。這兒所說的“鍍”并不是傳統意義上的鍍膜技術。專利中有說到，反射偏動圈是事先制備好的平原液層，之后通過熱彎成形技術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圈的前面，假如次序反了，該系統就不能正常工作了。
既然采用了偏振光反射，該系統中的成像光束都應當是偏振，這么顯示面板發出的光也必須是偏振。其實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，可以推測該方案中的顯示面板發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，圖中省略了圓偏振經過1/4相位延后片后與線偏振的轉換過程。透鏡1左側表面的紅色和白色膜層分別代表反射偏動圈和1/4相位延后片，透鏡2兩側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，順秒針方向的藍色箭頭代表右旋圓偏振。
假定顯示面板發出的是左旋圓偏振，穿過透鏡2以后，入射至透鏡1右邊表面12上。因為1/4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，左旋圓偏振可能會變為水平線偏振，也可能會弄成垂直線偏振。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圈上。反射偏動圈可以反射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圈，最后穿過透鏡1抵達入瞳面。
3）案例剖析
按照前面剖析的折反式VR光學方案，進行建模并進行優化設計，得到如圖4所示的光學設計方案。透鏡1采用PMMA材料，透鏡2采用E48R材料。
圖4Zemax優化設計案例
該光學系統的設計參數見表1，全視場角90°，入瞳半徑6mm，入瞳距離15mm，系統有效焦距23mm，系統總長為27.85mm，只有圖1所示的傳統VR光學方案系統總長的一半，可以明顯降低VR整機的長度。最大視場角對應的畸變量為-14.5%，也顯著大于傳統VR光學方案。
表1折反式VR光學系統設計參數
圖5給出了該VR光學系統在6mm入瞳半徑情況下對應的MTF曲線。在空間頻度20lp/mm處，最大視場角對應的MTF值小于0.2。20lp/mm的空間頻度對應的顯示元件象素規格為25um。因而，與傳統VR光學系統相比，該系統具有特別好的成像質量。
圖5折反式VR光學系統的MTF曲線
按照以上設計參數，根據水平視場角和垂直視場角都是90°進行估算，則該系統對應的顯示面板規格是39..4mm，對角線規格是55.72mm（~2.2inch），而相同視場角的傳統VR光學方案對應的顯示面板規格大約是3.5inch左右。
經過以上光學設計結果剖析，對比傳統VR光學方案，折反式光學方案的優勢有以下幾點：
a）光學系統總長明顯減短，減短約50%；
b）光學成像質量（MTF）明顯增強，相同視場角對應的畸變量減少；
c）在相同視場角下眼鏡透鏡成像原理，系統所需的顯示面板規格顯著降低，可以減少成本。
目前，采用上述折反式光學方案的VR產品有多哚的V1（之前拆解過），可能采用上述方案的產品有華為的VRGlass，平行現實科技的VR。