蘋(píng)果Vision Pro的發(fā)布帶來(lái)了大量關(guān)注度，尤其是光學(xué)方面幾乎沒(méi)有太多參數(shù)。圍繞屏幕和Pancake模組也有不少的討論，今天我們就來(lái)看看其中的Pancake光學(xué)模組。

近期，HyperVision憑借自身在VR光學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，分析并預(yù)測(cè)了Vision Pro的部分光學(xué)參數(shù)，比如Pancake模組的FOV、PPD等等。

據(jù)悉，蘋(píng)果在2022年收購(gòu)了Lynx R1頭顯的光學(xué)透鏡供應(yīng)商Limbak，后來(lái)Lynx改為投資以色列VR光學(xué)方案商HyperVision，計(jì)劃在未來(lái)的VR頭顯中采用后者開(kāi)發(fā)的大視場(chǎng)角透鏡。HyperVision專(zhuān)注研發(fā)尺寸輕薄、大視場(chǎng)角VR透鏡技術(shù)，包括適合VST透視頭顯的Pancake模組，視場(chǎng)角可達(dá)到240°x95°。

透鏡結(jié)構(gòu)分析

Vision Pro采用定制的三片式透鏡，是一種折反射透鏡，很可能是Pancake的變種類(lèi)型。Pancake的優(yōu)勢(shì)不用多說(shuō)，基于折疊光路縮短光學(xué)TTL（光學(xué)路徑），從而減輕光學(xué)模組的厚度，間接有利于VR頭顯減輕厚度。

Pancake通常由一片或多片透鏡組成，比如：PICO 4采用單片透鏡，而Quest Pro則基于多片透鏡。上圖是以2片透鏡Pancake為例，其結(jié)構(gòu)包含以下幾種組件：2個(gè)1/4波片（延遲器）、半反射透鏡、反射式偏振器。

其中，2號(hào)1/4波片最為重要，它的作用是將線性偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光，特點(diǎn)是需要保持平整、不能變形，而這也為Pancake透鏡設(shè)計(jì)帶來(lái)了限制。因此，市面上常見(jiàn)的Pancake方案至少要有一個(gè)平面。

不過(guò)，Vision Pro光學(xué)模組似乎有所不同，它采用3片透鏡方案，并且從結(jié)構(gòu)圖來(lái)看其中2片透鏡采用非規(guī)則設(shè)計(jì)，如上圖1、2號(hào)透鏡中，1號(hào)透鏡頂部薄、中間厚，而2號(hào)透鏡頂部厚、中間薄。似乎，1、2號(hào)透鏡具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，這又是怎么一回事呢？

VR光學(xué)透鏡公司HyperVision近期對(duì)Vision Pro的透鏡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)：這種非平面的Pancake設(shè)計(jì)方案此前在Meta的專(zhuān)利中也出現(xiàn)過(guò)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于曲面透鏡要符合其非球面曲度。

Meta專(zhuān)利-US20180120579A1

在Meta一份2018年的專(zhuān)利（US20180120579A1）中，就采用了曲面Pancake設(shè)計(jì)方案，如上圖1A，解決了之前1/4波片無(wú)法變形的限制。專(zhuān)利中提到：420透鏡的內(nèi)凹面和440透鏡的外凸面輪廓一致，如上圖4B、4C。并且，420透鏡由2塊透鏡粘合而成，其中包含一個(gè)平面。

再綜合圖1A，其中1/4波片“140”被嵌入在2個(gè)非球面透鏡“104”和“106”中間。因?yàn)槠矫?/4波片薄膜在非球面透鏡中不改變線偏振和圓偏振轉(zhuǎn)換的特性，因此可以做到曲面設(shè)計(jì)。

可以肯定的是，蘋(píng)果已經(jīng)為Vision Pro申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利，不過(guò)這些申請(qǐng)中的專(zhuān)利可能在18個(gè)月之后才會(huì)公布出來(lái)。當(dāng)然，蘋(píng)果此前的專(zhuān)利中也有部分相關(guān)的內(nèi)容。比如US20210132349A1專(zhuān)利就和Vision Pro透鏡相關(guān)。

蘋(píng)果專(zhuān)利-US20210132349A1

根據(jù)專(zhuān)利圖顯示，”28號(hào)“1/4波片位于26和32號(hào)透鏡之間，功能也是實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換也可以通過(guò)圖8、圖9來(lái)了解，26號(hào)和32號(hào)透鏡的功能是不變的，從而實(shí)現(xiàn)曲面設(shè)計(jì)。

FOV分析

據(jù)體驗(yàn)過(guò)Vision Pro人表示，Vision Pro的水平FoV大約在100°到110°之間。HyperVision根據(jù)建模分析，Vision Pro的透鏡FOV可能比110°更大，這一點(diǎn)僅供分析參考。

Vision Pro光學(xué)透鏡在靠近人眼的位置為凹面，好處是在實(shí)現(xiàn)相對(duì)緊湊光學(xué)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能提供大視場(chǎng)角。通過(guò)分析蘋(píng)果公開(kāi)的透鏡和Micro OLED屏幕圖片，以及大致的尺寸，HyperVision作出以下假設(shè)：

• 1）IPD默認(rèn)為65mm，預(yù)計(jì)有三檔可調(diào)（根據(jù)體驗(yàn)反饋）；

• 2）適眼距（eye relief）約12毫米以下，面罩具有寬度，但不適合戴眼鏡；

• 3）左右模組非同一平面，安裝存在角度，這里假設(shè)為5°（也有可能更大）；

• 4）Micro OLED顯示面積為27.6x22.8mm（對(duì)角線距離為35.8mm/1.41”）。

Vision Pro光學(xué)模組建模

根據(jù)上述假設(shè)，HyperVision對(duì)Vision Pro光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行建模，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

FOV參數(shù)可分為兩種，一種是周邊FOV（人眼直視時(shí)的視場(chǎng)角）和旋轉(zhuǎn)FOV（注視點(diǎn)偏離中心的最大旋轉(zhuǎn)視場(chǎng)角）。先來(lái)預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)FOV：眼球旋轉(zhuǎn)舒適角度在30°左右，強(qiáng)制情況下可達(dá)50°，由于眼球旋轉(zhuǎn)時(shí)瞳孔位置比正視時(shí)更靠近透鏡（近約8毫米），通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何推理，得出周邊FOV明顯大于旋轉(zhuǎn)FOV。假設(shè)水平旋轉(zhuǎn)FOV=42°（鼻側(cè)）+50°（太陽(yáng)穴側(cè)）=92°，那么水平雙目FOV是太陽(yáng)穴側(cè)視場(chǎng)角的兩倍，就是100°。

通過(guò)建模進(jìn)行測(cè)量，可得出水平周邊FOV=50°（鼻側(cè)）+60°（太陽(yáng)穴側(cè)）=單眼水平FOV 110°、雙眼水平FOV 120°，而立體重疊部分則為2x50°=100°。垂直FOV則為45°（上）+45°（下）=90°。

接下來(lái)，根據(jù)假設(shè)的顯示器長(zhǎng)寬比來(lái)粗略驗(yàn)證，單眼水平FOV與垂直FOV的比例為110°/90°≈1.22。

PPD分析

為了估算PPD，HyperVision做出以下假設(shè)：

1）每個(gè)視角相對(duì)于顯示屏中心的位置遵循線性偏移；

2）像素尺寸為7.395μm（基于假設(shè)的寬高比、方距和顯示屏總像素?cái)?shù)量）。

根據(jù)上述假設(shè)，并結(jié)合Micro OLED屏幕尺寸（1.41英寸），預(yù)測(cè)屏幕分辨率約為3732x3083。比較合理的預(yù)計(jì)是水平分辨率為3840，是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格1920的兩倍。接著在結(jié)合假設(shè)的FOV，計(jì)算出Vision Pro的PPD大約為34，考慮到光學(xué)元件可能具有非線性放大倍率，中心甜蜜點(diǎn)的PPD可能有10%左右差異?？紤]到實(shí)際FOV、分辨率縱橫比可能不同，當(dāng)FOV較低、像素?cái)?shù)較高時(shí)，實(shí)際PPD最高可能達(dá)到40。

HyperVision預(yù)計(jì)，Vision Pro頭顯采用精心設(shè)計(jì)的Pancake透鏡，因此可以得到很好的邊緣清晰度。不過(guò)，由于將Pancake透鏡與Micro OLED屏幕結(jié)合，眼動(dòng)范圍可能受限。相比于非球面透鏡、菲涅爾透鏡，理論上Pancake具有更大的眼動(dòng)范圍和優(yōu)化的適眼距，然而Micro OLED像素尺寸非常小（Vision Pro屏幕像素估算為7.4μm），而Pancake透鏡放大倍率很高，于是沒(méi)有足夠的像素能支撐起大眼動(dòng)范圍，所以此類(lèi)光學(xué)方案依賴(lài)于視覺(jué)中心與光線中心的對(duì)齊。值得注意的值得注意的是，體驗(yàn)者的反饋是似Vision Pro只有三檔IPD調(diào)節(jié)，不支持連續(xù)調(diào)節(jié)的話可能會(huì)降低用戶的視覺(jué)體驗(yàn)。

相比之下，基于大尺寸LCD屏幕的Pancake模組放大倍率在2-3倍，這也有利于實(shí)現(xiàn)較大Eyebox的設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證Eyebox部分，后續(xù)HyperVision還會(huì)進(jìn)一步分析Vision Pro光學(xué)透鏡的光路。參考：HyperVision