仅仅是独有HARP专利?3M短焦VR光学大揭秘

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上个月,美国3M公布了一款与和硕联合开发的短焦光学VR一体机参考设计:VX6,该产品重仅376g,基于高通骁龙XR2芯片,内置4颗摄像头,支持3DoF和6DoF手柄和AR透视,此外其单目视场角为95°(双目FOV观感可达105°),具备防水能力,预计在下半年开始量产。除了这些信息外,3M当时并未公布更多信息。

实际上,采用折叠光学器件的短焦光学VR方案已经在华为VR眼镜等产品中应用,并不是一项新技术。而VX6采用的是3M透镜组件,内置3M独有的反射偏振片HARP,它的光学方案又有哪些特殊之处呢?

近期,根据和硕对VX6的拆解视频以及3M光学论文中公开了更多关于VX6和3M折叠光学的更多细节,接下来就一起来分别了解一下吧。

VX6拆解

3M投入AR/VR研发已经有7年时间,在2013年就开始探索折叠光学。而最新展示的VX6是与和硕共同推出一款参考设计,可为客户需求进行定制。该头显配备4颗摄像头,其中两颗集成在前盖,用于AR透视,另外两颗6DoF定位摄像头分别位于头显左右下方,它的位置设计的略向下、向外倾斜,目的是为了追踪头显下方的手柄,增加追踪范围。

此外,还展示了和硕获得专利的VR散热系统。而VX6的空间音频系统则集成在头显镜腿两侧,频率范围在200Hz到14KHz之间。

光学模组部分,基于Pancake方案,厚度仅为2.429厘米,比传统光学模组轻薄得多。在VX6的光学模组中,包含了显示光源、分束镜、3M HARP透镜。2.1英寸LCD显示屏(可提升至2.5英寸),分辨率1600x1600、1058PPI、90Hz刷新率。而分束镜则是一个50:50镜面涂层透镜,其特点是一面采用透光率50%镜面涂层,另一面是四分之一波片(1/4 Lambda镜面涂层),功能是将线偏振光转化成圆偏振光,或反向转换。

3M光学模组对比传统光学方案

此外,VX6光学模组的核心技术是高灵敏度反射偏振器HARP,基于3M核心的DBEF多层膜技术(增亮膜、反射型偏光光片),原理是通过控制每一层膜的厚度和特性,来调整有效的反射式光学。此前,这项技术广泛应用于LCD显示模组,特点是可降低功耗,提升亮度和对比度。

HARP

在VX6头显运行时,光线在光学模组中传播的方式如下:光学模组包含光线从显示屏发射后,通过分束镜透过50%光源,接着线偏振光到达HARP偏振器后反射为圆偏振光,反射到分束镜后再反射并通过HARP,以线性光的形式进入人眼。这就是折叠光学原理,折叠光学的优势在于可以提升对比度、清晰度、细腻度和FOV。IPD是固定的,范围在58到70mm之间,也可以根据客户需求去定制。

折叠光学论文

在论文中,3M描述了一种基于多层反射偏振器的双折射光学方案,采用Pancake光学结构。

3M写道,VR Pancake光学模组中的反射式偏振器通常采用金属色线栅偏振片,如果改为聚合物材质的双折多层反射偏振器会有更多优势,比如:聚合物镀膜具有高偏振反射性,入射角范围在-60°到60°之间,这对于反射折射光学设计很重要。此外,在入射角范围内进入聚合物反射偏振器的图像色移更少。同时,多层聚合物偏振片的可见光谱偏振对比度足够高,并具有高消光和透射效率。

聚合物偏振片的另一个优势是,组成聚合物树脂的粘弹性质使得薄膜可以形成复杂的曲面,包括圆锥,非球面甚至自由形状的几何形状,甚至是高度曲面和下垂表面。此外,非球面形式可以显着改善Pancake模组的分辨率。原因是,3M光学方案通过将薄膜集成到透镜表面/光学基片上,可提升场景中的形状精度和平滑度。

同时,3M研发了具有球面,非球面和自由曲面(包括具有曲率拐点的“鸥翼”非球面)的反射型偏光镜片,并将这些镜片集成到折反射目镜中,具有宽视场,紧凑型,短光路和高分辨率。

1,关于光学谐振腔的结构

在实验中,3M测试了多种不同结构的光学谐振腔,包括:平凸单透镜;粘合双合透镜;间隔式双合透镜;双表面镜面涂层透镜,接下来就一一了解一下这些方案的不同特点和优势。

1)平凸单透镜:

这是一个简单的结构,采用单一的平凸镜,可实现110°视场角、8毫米眼动范围、15毫米出瞳距离,光学模组厚度仅16毫米。此外,该透镜设计可根据显示屏尺寸进行调整。其缺点是透镜直径54毫米,小于标准IPD范围,因此用于VR中可能会截断沉浸式画面。通过限制折射光功率,采用反射光方案来提升视场角和分辨率,将超出具备同样焦距范围的反射镜的能力。

总之,平凸单透镜方案的优势包括相对简单的透镜几何形状,使用平面反射偏振器和较低的制造成本。缺点包括分辨率和视场角有限,而且大适眼距和透镜直径大小无法同时兼顾。因为提升适眼距则需要增加透镜的直径,而这将影响头显与头部的贴合度,需要考虑能否采用单个显示面板或两个倾斜的面板,这两个面板可能会在太阳穴附近稍向内绕头弯曲。

2)粘合双合透镜:

对于这种透镜设计,分束镜和反射偏振镜可独立制造,在组装过程中还可以将四分之一波长延迟器集成键合线中。如此一来,曲面反射偏振器可通过缩短成像距离,同时缩小放大器在人眼侧的孔径,来实现更紧凑的外形设计。此外,如果采用圆锥形和非球面的反射偏振器,会比平凸单透镜的分辨率更高、图像畸变更小。

3)间隔式双合透镜:

这个方案指的是在分光镜和反射偏振镜之间预留一定距离,并加入两个额外的折射表面,用来平衡光学系统的图像偏差。与粘合双合透镜相比,间隔式双合透镜的重量更轻,而且支持间距调节,从而调节焦距。 缺点则是,较高的菲涅尔损耗,且需要额外的抗反射涂层。

4)双表面镜面涂层透镜:

在间隔式双合透镜方案中,将一个或两个反射器作为第一表面反射镜可行,使用第一表面镜的优点在于,两个透镜中的一个或两个的双折射效果都最小。当第二镜面涂层在基板或透镜用于双折射时,三次光线传输的效果会叠加在一起。不过,使用第一镜面涂层会限制适眼距,或者对系统设计产生实际影响。因此,需要考虑制造方式和系统性能。

2,可变焦折射反射系统

目前,VX6似乎并未配备眼球追踪系统,不支持注视点渲染,不过从论文中来看,3M的光学方案通过定制可支持屈光调节、注视点渲染等更多功能。

 

论文中写道,通过调整光线在折射反射系统中的三折光路,可改变焦距,用于屈光/视力调节、动态注视点渲染、降低视觉辐辏调节冲突等用途。

VR光学系统变焦的过程包括眼球追踪、焦距识别、移动透镜位置,还需要考虑到延迟的时间,整个过程所需的时间应该不大于人眼视觉调节的时间(约为2屈光度/秒)。

通过在偏振折射反射系统中采用轻薄、低惯性透镜,可快速对焦距进行调节,同时可通过步进电机、超波浪电机、压电电机、花键电机等制动器来实现足够的扭矩或力。

此外,3M还设计了一个可动态变焦的VR光学模组,利用步进马达驱动平凸分束镜,而非球面反射偏振镜保持固定。同时,采用离轴的偏光镜来照明和追踪眼球。

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