pan cake/折反式/华为 VR 光学剖析--专利解读及案例分析

2020-10-31 19:23发布

站内文章 / AR/VR / 类型:教程

本经公众号:冰糖雪梨说光学  授权转发


b1bff62a2834349bdc36ea8bc6ea15ce36d3be1b.jpg

华为VR产品


本篇文章探讨偏振光学在VR中的应用,主要是针对利用偏振特性实现光路折叠的折反式 VR光学方案的专利解读,并结合专利中的某一个方案进行光学建模及分析。本文会涉及到反射式偏振片(膜)、1/4相位延迟片,以及线偏振光和圆偏振光的应用。


1)背景介绍

如图1所示,常见的VR光学方案是采用单片折射式透镜,一般是采用非曲面透镜或菲涅尔透镜。从功能上来说,VR透镜就是一个放大镜,将显示器件(LCD、OLED等)上的图像放大,在用户眼前的一定距离上形成一个放大的虚像。


640.JPG


图1 单片折射式透镜VR光学方案


图1中的非球面透镜的厚度通常是在10~15mm左右,透镜右侧表面顶点距离显示器表面大概是30~40mm左右,用户的眼睛距离透镜左侧表面顶点大概是15~20mm左右。因此,图1中的光路总长(从用户眼睛到显示器)大概是60mm左右。考虑到VR头戴显示器的硬件电路和结构设计,其整体厚度在80mm左右,整机重量在400g~500g左右。将接近一斤重的东西放在头上,佩戴半小时以上会是怎样一种感受?相信体验过VR头显的读者应该深有体会。


即使将非球面透镜换成菲涅尔透镜,其厚度也不过只能减小8mm左右,作用相当有限。为了能够显著减小VR头显的整体厚度,最可行的方案就是将VR光路总长显著减小,本文将要解读的专利中的光学方案就可以实现这个目标。


2)专利解读


本文的专利解读是基于3M公司已经公布的专利US20190235235A1。有想要这篇专利的小伙伴可以在公众号里回复自己的邮箱,我会把专利文件发送到你的邮箱。


为了有效减小VR光路总长,考虑把单片折射式透镜更换为折反式光学方案,利用光的反射来缩短光路总长,如图2所示。图2所示方案是3M专利其中的一种,其他方案详见专利。

640 (1).JPG


图2 3M专利中的折反式VR光学方案

下面根据图2解释该光学方案的工作原理。该方案包含有两个弯月形透镜(Lens 1912、Lens 1922)和一个显示面板(Panel1989),1935是入瞳面,可以认为是用户的眼睛瞳孔所在的位置。为了解释方便,将Lens 1912称为透镜1,将Lens 1922称为透镜2。


我们从光学设计的角度来分析光线的传播方向,即光线从入瞳面1935发出,穿过透镜1的左侧表面11和右侧表面12后,入射至透镜2的左侧表面21后发生部分反射(表面21镀有部分反射膜),然后入射至透镜1的右侧表面12后发生偏振反射(表面12镀有反射偏振片和1/4相位延迟片),然后再穿过透镜2,最终到达显示面板表面1930。实际的光线传播方向与上述路径刚好相反,即光线从显示面板发出,最终到达用户的瞳孔(入瞳面1935)。


透镜2的左侧表面21镀有部分反射膜(partial reflector),部分反射膜的作用是既可以透过一部分光线,又可以反射一部分光线,最典型的就是半反半透膜。部分反射膜可以是金属膜,可以是介质膜,也可以是两者的混合膜层。需要注意的是,部分反射膜不改变光的偏振特性。


透镜1的右侧表面镀有反射偏振膜(Reflective polarizer)和1/4相位延迟片(Quarter wave retarder,业内习惯称之为相位延迟片或者波片)。这里所说的“镀”并不是传统意义上的镀膜技术。专利中有说到,反射偏振膜是事先制备好的平面膜层,然后通过热弯成型技术使其成为特定的二维曲面,并不是直接在透镜的二维曲面上直接镀膜的。需要注意的是,1/4相位延迟片必须要在反射偏振膜的上面,如果顺序反了,该系统就不能正常工作了。


既然采用了偏振反射,该系统中的成像光束都应该是偏振光,那么显示面板发出的光也必须是偏振光。虽然专利中并未明确说明显示面板采用的是哪种偏振光,但通过分析,可以推断该方案中的显示面板发出的只可能是圆偏振光(左旋或右旋圆偏振光)。

640 (3).JPG


图3 偏振光光线传播示意图

图3给出了光线在传播路径上的偏振特性,图中省略了圆偏振光经过1/4相位延迟片后与线偏振光的转换过程。透镜1右侧表面的绿色和蓝色膜层分别代表反射偏振膜和1/4相位延迟片,透镜2左侧红色膜层代表部分反射膜。图中逆时针方向的蓝色箭头代表左旋圆偏振光,顺时针方向的黄色箭头代表右旋圆偏振光。


假设显示面板发出的是左旋圆偏振光,穿过透镜2之后,入射至透镜1右侧表面12上。由于1/4相位延迟片在上层,所以光线先穿过1/4相位延迟片,则左旋圆偏振光会变成线偏振光。根据1/4相位延迟片的快慢轴方向,左旋圆偏振光可能会变为水平线偏振光,也可能会变成垂直线偏振光。假设光线变成了垂直线偏振光(即s偏振光,偏振方向与图3中的x轴平行,垂直于纸面),然后入射至反射偏振膜上。反射偏振膜可以反射s偏振光,透过水平线偏振光(即p偏振光)。因此,s偏振光被反射后,再次穿过1/4相位延迟片,变成了右旋圆偏振光。右旋圆偏振光入射至镀有部分反射膜的面21上被反射,反射后的右旋圆偏振光第三次穿过1/4相位延迟片之后,变成了p偏振光(偏振方向与图3中的Y轴平行),此时光线可以透过反射偏振膜,最后穿过透镜1到达入瞳面。


3)案例分析


根据上面分析的折反式VR光学方案,进行建模并进行优化设计,得到如图4所示的光学设计方案。透镜1采用PMMA材料,透镜2采用E48R材料。

640 (3).JPG

图4 Zemax优化设计案例

该光学系统的设计参数见表1,全视场角90°,入瞳直径6mm,入瞳距离15mm,系统有效焦距23mm,系统总长为27.85mm,只有图1所示的传统VR光学方案系统总长的一半,可以显著减小VR整机的厚度。最大视场角对应的畸变量为-14.5%,也明显小于传统VR光学方案。


表1 折反式VR光学系统设计参数

640 (4).JPG



图5给出了该VR光学系统在6mm入瞳直径情况下对应的MTF曲线。在空间频率20lp/mm处,最大视场角对应的MTF值大于0.2。20lp/mm的空间频率对应的显示器件像素尺寸为25um。因此,与传统VR光学系统相比,该系统具有非常好的成像质量。

640 (5).JPG


图5 折反式VR光学系统的MTF曲线

根据以上设计参数,按照水平视场角和垂直视场角都是90°进行计算,则该系统对应的显示面板尺寸是39.4mmx39.4mm,对角线尺寸是55.72mm(~2.2inch),而相同视场角的传统VR光学方案对应的显示面板尺寸大概是3.5inch左右。

经过以上光学设计结果分析,对比传统VR光学方案,折反式光学方案的优势有以下几点:


a)光学系统总长显著缩短,缩短约50%;


b)光学成像质量(MTF)显著提高,相同视场角对应的畸变量减小;


c)在相同视场角下,系统所需的显示面板尺寸明显减小,可以降低成本。


目前,采用上述折反式光学方案的VR产品有多哚的Dlodlo V1(之前拆解过),可能采用上述方案的产品有华为的VR Glass,平行现实科技的pareal VR。


赞赏支持