文/VR陀螺 小鉆風(fēng)

今年10月的Meta Connect大會，Meta（原名Facebook）對其下一代VR原型Cambria進(jìn)行了視頻展示。根據(jù)視頻所展示的，結(jié)合Meta的專利申請等信息，Cambria作為Meta下一代頭顯大概率采用短焦光學(xué)方案。

就在近日，近眼顯示專家卡爾·古塔格（Karl Guttag）在撰寫2021年AWE大會觀察到的產(chǎn)品研究時，又有了一些有關(guān)Cambria光學(xué)系統(tǒng)的新發(fā)現(xiàn)：Cambria或擁有可變焦功能。

今年11月，卡爾在撰寫有關(guān)MR頭顯Lynx 的AR透視功能時，開始聯(lián)想到其他輕薄的VR光學(xué)器件方案。為了制造更加輕薄的頭顯，Lynx所采用的是Pancake光學(xué)方案，公司將其稱作四折反射自由曲面棱鏡。

圖源：Karl Guttag

不只是Lynx，卡爾連續(xù)在2020年與2021年CES大會都有看到Kopin為松下制作的非常小型的VR頭顯原型，頭顯原型同樣使用Pancake?？栐趯ancake光學(xué)進(jìn)行簡單搜索時，聯(lián)想到了2021年Meta Connect大會中Cambria視頻展示的畫面。

圖源：Karl Guttag

很顯然，其光學(xué)系統(tǒng)使用了偏振器和四分之一波片。為了更好的了解Meta在做什么，卡爾對Meta及其Pancake光學(xué)的相關(guān)專利進(jìn)行了一個快速的搜索，發(fā)現(xiàn)了大約30項(xiàng)專利。

其中大約10項(xiàng)有相關(guān)性，另外，還有幾項(xiàng)專利申請中的示意圖則看起來與Connect 2021中Cambria的光學(xué)方案示意圖非常相似，這些專利申請的示意圖與一般的短焦方案相比，有一些額外的東西——可變焦LC元件（LC：可變化液晶）。

在進(jìn)行具體的分析前，卡爾先給讀者補(bǔ)了補(bǔ)課，對Pancake的光學(xué)原理進(jìn)行了簡要的講解。

 Pancake光學(xué)方案關(guān)鍵助手：

 四分之一波片

Pancake光學(xué)方案當(dāng)中，有一較為重要的器件叫作四分之一波片。四分之一波片（又被稱為相位延遲片），通常用于偏振光學(xué)，大多數(shù)AR光學(xué)系統(tǒng)借此控制光線。

Pancake光學(xué)同樣利用了四分之一波片，因此讀者對四分之一波片做一些基礎(chǔ)了解，有助于理解光學(xué)示意圖。

四分之一波片通常由塑料薄膜/片制成，透明度非常高，能對光進(jìn)行圓偏振，并將其相位向左或向右延遲四分之一波長。如果將光在同一方向上以四分之一波循環(huán)延遲兩次，實(shí)際上進(jìn)行了“半個波長”的旋轉(zhuǎn)，光則線性旋轉(zhuǎn)90度。從鏡子反射的光將導(dǎo)致圓偏振從右側(cè)或左側(cè)變?yōu)橄喾吹膱A偏振。

圖源：Edmond Optic“Polymer Polarizers and Retarders”

但請注意，來自鏡子的線偏振光將保持相同的線偏振。一個方向的線偏振光稱為“S”偏振，正好相反的偏振稱為“P”。此外，按照慣例，向下或向上/向下的箭頭表示“P”偏振，帶圓點(diǎn)的圓圈（表示箭頭在頁面內(nèi)/外）表示“S”偏振。

 Kopin與Meta的Pancake光學(xué)方案

美國創(chuàng)企Kopin通過其OLED微顯示屏推廣Pancake光學(xué)的歷史至少可以追溯到2年前。（下圖取自Chris Chinnock第一篇有關(guān)Kopin全塑料Pancake光學(xué)的評論）索尼也分別在2020年與2021年CES大會展示了Kopin采用Pancake光學(xué)器件的OLED微型顯示器。

圖源：Karl Guttag

Pancake光學(xué)器件具有“折疊路徑”，光線在相同的元件間來回反射，從而節(jié)省了空間。最靠近顯示設(shè)備的透鏡具有半反射鏡涂層，因此，既能在第一次透射時充當(dāng)面透鏡，又能在光反射時充當(dāng)曲面鏡。

下圖來自Meta專利申請 2020/0348528 中的的圖1和圖7 ，其基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與Kopin相同。最靠近顯示器的鏡頭一側(cè)有半反射鏡涂層，因此它既可以用作透鏡，也可用作反射鏡。

圖源：Karl Guttag

上圖展示了Pancake光學(xué)的基本路徑。

顯示器（110）可以是帶有線偏振器的OLED，其后跟著四分之一波片或發(fā)射圓偏振光（或類似東西）的LC型顯示器。來自顯示器的光向左進(jìn)行圓偏振，并且50%的光穿過帶有部分鏡面涂層122的透鏡120。

光會被透鏡120折射，接著穿過四分之一波片124，四分之一波片將光從左圓偏振變?yōu)镾線偏振，隨后光穿過可變LC透鏡130（后文詳細(xì)介紹）。

S偏振光之后被透鏡140表面上的偏振分束器反射，并通過可變透鏡130返回，并到達(dá)第一個透鏡120上的四分之一波片124，將S偏振改變回左旋。之后，光將被50/50鏡面122反射，這也將導(dǎo)致左旋圓形光變?yōu)橛倚?/p>

由于50/50鏡子是彎曲的，這也會使得光線彎曲。因此元件120充當(dāng)一個方向的光的透鏡，以及另一個方向光的曲面鏡。

經(jīng)過120元件的光經(jīng)過四分之一波片124，變成線性P偏振，并穿過可變透鏡130，然后P偏振光可以穿過偏振分束器142，并在它射向眼睛時被透鏡140折射。折疊路徑使元件更加緊湊，元件120可作為兩個不同的元件工作。

 Meta的分段相位剖面（SPP）可變液晶（LC）透鏡

Meta的專利申請中與一般的光學(xué)方案有一個非常大的不同，采用了：可變液晶（LC）透鏡130。在LC兩端施加電壓，可用作可變焦菲涅爾透鏡。

圖源：Karl Guttag

注意上圖，Meta在專利申請中還討論了多層LC透鏡的使用，更薄的多層透鏡切換速度會更快，并且能夠提供比厚度更大的單個透鏡更多的選擇。

LC的切換速度大致與LC百度的平方成正比，因此如果厚薄程度低十倍（正如專利申請中所討論的可能性），它的切換速度將提高約100倍。

液晶可以制作變焦鏡頭的個事實(shí)在業(yè)界是眾所周知的，在2018年CES上，卡爾第一次看到帶有Lumus波導(dǎo)的DeepOptics工作設(shè)備，DeepOptics開發(fā)LC控制透鏡已有約十年時間，并已開始銷售具有電動控制焦點(diǎn)的32°N 偏光太陽鏡。

圖源：Karl Guttag

從概念上講，Meta可以將類似Kopin的Pancake光學(xué)與類似DeepOptics的液晶透鏡技術(shù)相結(jié)合。

同樣，卡爾曾在有關(guān)Magic Leap 2光學(xué)方案分析中所講到的，從專利申請看，Magic Leap展示了他們已考慮在設(shè)計(jì)中添加可變焦距LC鏡頭。但正如卡爾在文章中所寫的，他會懷疑Magic Leap 2最終能否承受液體LC鏡頭帶來的額外光損。

圖源：Karl Guttag

 可變焦的重要意義：

 緩解視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC）

可變焦距的意義在于視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突，直接引用Meta專利申請的原文（圖來自Journal of Vision 2008）：

“當(dāng)前的VR/AR/MR頭戴式顯示設(shè)備經(jīng)常存在所謂的視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。（通常）立體圖像能夠驅(qū)動用戶的人類視覺系統(tǒng)的聚散狀態(tài)至任意距離，但（在頭顯中）用戶眼鏡的調(diào)節(jié)或聚集狀態(tài)被光學(xué)系統(tǒng)驅(qū)動到了一個固定的距離。”

“因此在長時間的VR/AR/MR環(huán)境中，視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突會導(dǎo)致眼睛疲勞或頭痛，顯著降低用戶的視覺體驗(yàn)舒適度。所公開的Pancake透鏡組件及其光學(xué)系統(tǒng)旨在解決一個或多個上述問題及其他問題。”

有關(guān)解決視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突的討論并不是新鮮事，這在VR/AR設(shè)計(jì)社區(qū)被討論的很多。如果這一問題能夠得到有效解決，有能夠很大程度上提高大家佩戴頭顯的體驗(yàn)。

 結(jié)語

目前沒有Meta或可靠的信源表示Meta的Cambria一定具備可變焦功能，卡爾有此觀點(diǎn)的證據(jù)主要是Meta的幾項(xiàng)專利申請信息與Connect大會上展示的Cambria較為相似，只是在展示的基礎(chǔ)上多了可變焦。

根據(jù)已知的一些信息，Cambria應(yīng)該是一款更為高端的產(chǎn)品，視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突又被視為VR頭顯的重要問題，Meta有采用可變焦提升體驗(yàn)的可能。也許有人在此之前已將這些聯(lián)系起來，只是除了卡爾之外，網(wǎng)上還未有相關(guān)信息。

卡爾表示，Meta專利申請中的方法是對眼球進(jìn)行追蹤，并調(diào)整眼睛感知的焦距以及與聚散度保持一致。從他從閱讀的資料來看，如果應(yīng)用得很好，應(yīng)該能很大程度解決頭痛和惡心的問題。

考慮到現(xiàn)實(shí)情況，這可能并非完美的解決方案，因?yàn)椴粌H僅要考慮眼睛對準(zhǔn)的焦點(diǎn)是否與聚散度保持一致外，還要考慮成像中的所有其他因素，比如虛擬的3D距離如何，是否也將出現(xiàn)在相同的焦距等等。

卡爾說要使一切更好的工作，需要更加復(fù)雜的方法，包括聚焦平面（例如 Lightspace 3D）、光場（例如 Creal）、焦點(diǎn)表面（例如 Oculus Reseach），甚至是（真實(shí)的）全息圖（例如. 微軟 Siggraph 2017）等等。

原文鏈接：

https://kguttag.com/2021/12/06/meta-aka-facebook-cambria-electrically-controllable-lc-lens-for-vac/