Hypervision分享：苹果Vision Pro的Pancake光学元件技术分析

　　Hypervision是一家以开发宽视场VR Pancake光学器件而闻名的公司，而团队日前发布了一篇关于苹果Vision Pro的Pancake光学元件的分析：

　　Apple Vision Pro(AVP)配备了定制反射折射镜片。反射折射镜片已通过望远镜被众人所知：通过一组镜面来折叠光路，从而减少望远镜的尺寸。对于VR Pancake光学元件而言，反射折射方法同样有用来折叠光路，以实现非常紧凑的镜片模块。不同的是，望远镜的视场很窄，而宽视场的Pancake透镜则有用于操纵光偏振的元件。Pancake模块可以基于单透镜元件(如PICO 4实现)或多透镜(如QuestPro实现)。为了简单起见，我们将使用基于两个透镜元件的原理图，如下所示：

　　在上述方案中，最具挑战性的组件是四分之一波板QWP，它可以将线极化变为圆极化。QWP不能变形，应该保持平坦，这给Pancake模块的设计带来了限制，因为它嵌入到前后透镜之间。所以，现有Pancake模块的解决方案限制为至少有一个平面，从而限制了VR光学设计的优化。然而，这一限制在AVP光学系统中得到了解决。

　　对于AVP Pancake模块的3晶元件，我们可以看到两个元件的垂直面和水平面厚度有很大差异。如(1)所示，靠近显示屏的左侧透镜元件的侧面厚度要大于顶部。相反，中间的透镜元件的顶部厚度大于侧面，如(2)所示。假设AVP光学元件具有旋转对称性，这又该如何解释呢?通过Meta(Facebook)的专利US20180120579A1，我们知道了答案。

　　专利US20180120579A1告诉了我们如何解决QWP(140)的变形限制。

　　右边的专利图可以看到，后曲面光学元件的后第二表面具有凹圆柱形表面轮廓，并且前曲面光学元件前第二表面的凸圆柱形表面轮廓与所述后曲线光学元件的凹圆柱形表面廓线重合，其中所述前第二表面和所述后第二表面通过粘合元件彼此联接。

　　可以看出，QWP 140嵌入两个圆柱形表面之间，使得平面QWP 140夹在表面404和416之间(或透镜104和106之间)，从而使其免于变形，所以QWP 140保持其线性到圆偏振转换特性。

　　苹果Vision Pro光学元件

　　苹果XR头显的发布多次跳票，而他们一定有已经公开的申请专利(申请后，专利局会在18个月左右公开通过的专利)。事实上，苹果已经申请了数项关于光学解决方案的专利，而专利US20210132349A1给出了相关的描述。

　　图8是沿着Y轴观察的横截面侧视图。四分之一波片28介于透镜元件32的圆柱形表面S6和透镜元件26的圆柱形表面S7之间，并且如图8所示绕平行于Y轴的轴弯曲。图9是沿X轴观察的图7的透镜元件32和26的截面侧视图，并示出了表面S6和S7如何不绕X轴弯曲。因为表面S6和S7具有这种圆柱形形状，所以四分之一波片28不表现出复合曲率，并且不暴露于非期望的应力量，从而通过四分之波片28在整个透镜组件提供相对均匀的延迟。

　　实际上，透镜26和32正在创造具有转换偏振光的独特功能的单晶透镜。这样，APV克服了其他Pancake透镜需要有平坦表面来叠加QWP的限制。

　　视场估计

　　据报道，AVP的水平视场在100度-110度之间。在下面的建模和分析中，我们显示了主观的实现，并导致了比媒体报道更大的视场。

　　AVP Pancake光学元件的优点是靠近眼睛的凹面，可以实现相对紧凑的光学元件和大视场。通过分析镜片和uDisplay的WEB图片，并大致了解其尺寸，我们进行了以下假设：

　　瞳孔间距离IPD为65毫米(默认)，预计可以调节;根据媒体报道，有3个位置

　　适眼距ER为12mm。面部接口很宽，但不能使用眼镜，所以ER为12mm或更少。

　　左右模块之间有一定倾斜，我们认为是5度(可能更多一点)。

　　uDisplay有源区域： 27.6 x 22.8毫米。

　　考虑到上述假设，我们进行了如图片所示的建模：

　　重要的是要区分外围视场和旋转视场。眼睛旋转的舒适区是+/-30度，并且可以推到50度。由于简单的几何学原理，瞳孔位置比眼球旋转中心近晶状体8毫米，所以外围视场(左眼所示)自然比旋转视场(右眼所示)大。因此，水平旋转单目视场是：42度(nasal)+50度(temporal)=92度，水平双目视场是temporal的两倍，所以是2×50°=100度。然而，所有用于营销的数字都是在谈论外围视场。

　　通过对上述模型的测量，以下是外围视场的结果：

　　水平：nasal50度+temporal60度=>总：单目水平50+60度=110度;双目水平2×60度=120度;

　　立体重叠：2×50度=100度。

　　垂直：上45度+下45度;所以垂直方向的视场=90度。

　　我们接下来根据假设显示器尺寸为27.6 : 22.8 = 1.21的长宽比来粗略验证视场。单目水平：垂直是110度 : 90度 = 1.22。因此，上述假设是有意义的。

　　总而言之，假设的视场(H x V)是120度 x 90度。

　　PPD估算

　　对于PPD的计算，我们将作出以下假设：

　　(1)每个视场角从显示中心线性偏移

　　(2)像素大小为7.395微米;基于假设的长宽比、方形间距，以及给定的23Mpx。

　　假设(2)和uDisplay尺寸导致的分辨率为3732 x 3083。最可能正确的水平分辨率是3840，是标准1920的两倍。

　　通过坚持分辨率+假设(1)+假设视场，通过使用垂直视场和分辨率，计算出的PPD是3083 px/90度 ~ 34 PPD。考虑到PPD可能是非线性的，最佳视点的结果可能有+/-10%的差异。另外，实际的视场和分辨率长宽比可能不同，对于较低的视场和较高的像素数+非线性，实际PPD可能达到40 PPD。

　　光追和视窗

　　对于正确设计的Pancake，其优势之一是边缘到边缘的清晰度，而AVP预计会如此。大视窗提供了令眼睛视轴和光学中轴错位的可能性+不同于标称的ER。 一般来说，相对于非球面或菲涅尔透镜，Pancake透镜同时提供了更大的视窗。但对于为uDisplay设计的Pancake透镜，其像素非常小(像AVP的7.4um)，放大率非常强，没有足够的资源用于视窗，所以，视轴和光轴应该会很好地对齐。根据媒体报道，有3个位置用于调整IPD。

　　基于fast LCD的Pancake光学元件有x2-x3个较大像素，视窗可以相应地设计得更好。为了对视窗做出更精确的假设，我们可以在后面对AVP透镜进行光追。在光追之后，我们将把材料汇编成应用说明。如有需要，请访问这个页面，并在最末尾的评论栏中留下你的信息。