头盔显示方案的前世今生 - Pancake的现在与未来

这两天随着Pico4的发布Pancake 头显方案被越来越多的人知道，Pancake 也是Pico这次产品升级的很重要的一个卖点。

那么Pancake到底是什么，它比之前neo 3使用的头显方案有什么优势呢？今天小时就来给大家扒一扒。

整个VR头显的显示模块在过去经历了从传统透镜到菲涅尔透镜到折叠光路方案（Pancake）的三大进化阶段。

早期的VR头显设备，大多使用普通的传统透镜技术。但是这种光路方案虽然简单但是存在体积大，重量重的缺点；而且对于VR头显轻量化的需求，必须缩短焦距，但是缩短焦距必然只能通过要么增加镜片组，要么增加镜片厚度，增加折射率，而这两个路径都会大大增加头显的重量或者体积，对于VR头显的应用不利，所以在过去几年VR头显的显示模组过度到使用菲涅尔透镜

菲涅尔透镜

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于灯塔。其工作原理是通过去掉透镜中直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。菲涅尔透镜看上去像一片有无数多个同心圆纹路（即菲涅尔带)的玻璃，却能达到普通凸透镜的效果，如果投射光源是平行光，汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。这一改变，不但减轻了透镜的总重量和材料使用，而且也避免了使用普通的凸透镜，产生的边角变暗、模糊的现象（因为光的折射只发生在介质的交界面，光在较厚的玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减）

下图1是菲涅尔透镜，2是普通凸透镜。

但是菲涅尔透镜本质上没有改变传统透镜的成像原理，可以想象成扁平化的传统透镜，其对光路长度的要求使得很难进一步将头显部分小型化。

Pancake方案

那么是不是有一种可能在更小的空间内通过光的折射实现较长的光路从而在不改变焦距的情况下缩短头显尺寸呢？

折叠光路（pancake）技术就是在这一路径上产生的。Pancake通过对光进行偏振，实现透镜之间的多次反射，从而使得在更短的实际尺寸上实现比菲涅尔透镜更长的光路，从而达到小型化显示模组的作用

图源: Oculus

Pancake方案的成像源的光进入pancake 模组以后，在通过半反半透功能的镜片之后，光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返，最终从反射式偏振片射出。通过这一折叠的设计可以大幅度降低VR头显的重量和体积，相比菲涅尔透镜通常头显厚度超过40mm，Pancake方案下头显厚度可缩减至17-18mm左右，重量也可减轻一半左右

图源：3M

这个重量和大小的升级可以使得产品佩戴更加舒适，用户也可以使用更长的时间，这对于整个VR的应用是至关重要的。同时Pancake通过透镜组合，可以提高边缘成像质量，提高图像对比度、清晰度、细腻度。

但是Pancake方案有几大关键挑战使得其成本高

第一，Pancake模组中光学膜片非常重要，尤其是反射偏振片和相位延迟片对于光学成像质量起到决定因素，质量的标准要求较高，目前供应商以海外厂商 3M、旭化成等为主，成本较高。

第二，贴膜工艺难度大：曲面贴膜难度较大，曲面贴膜可以带来更大的 FOV 和更优质的成像质量，但是施工难度大容易边缘褶皱，使得良率不高

第三，组装调整精度要求高：屏幕、透镜等组装时需要严格按照光路设计完成，细微的组装误差会对最终成像效果产生很大影响

同时pancake也有其自身的缺陷：

1. 光损失严重，光在Pancake模组中多次经过偏振、半反射等环节，每一环节损失约50%光效，最终光效理想状况只能达到25%，实际目前的pancake模组的光效只有12%左右。这就需要我们在显示屏幕方面采用更高亮度的OLED或者MicroLED屏幕，从而使得功耗和成本都上升。

2. 鬼影问题：透镜多次反射会造成杂散光，在画面中的形成的“鬼影”(ghost)，这会直接导致图像质量的降低（主要式对比度和MTF）

Pancake方案的进一步进化空间：

Pancake方案根据光路折叠的原理和透镜数量，两片式和多片式两种方案，由于两片式生产工艺较为简单，成本相对可控，且成像质量有保证（光路损失较小），因此大多数VR头显采用Pancake方案为两片式。

然而更加复杂的多片是方案可以进一步提升VR的体验

实现屈光度调节/ 自适应：在组合透镜方案中（如3片式）通过移动其中一组镜片调整整个光学模组的折射率，从而满足调焦需求，从而完成内置的屈光度调节

图片来源：中国机器视觉网

解决 VAC 问题：利用更加精确的实时控制，通过电控步进电机实时移动镜片组件，可以在VR显示中实现焦平面的调整，与眼动追踪技术相结合，通过追踪眼球的转动和焦点，实时调节焦点，从而解决 VAC-辐辏调节冲突引起的眩晕和不适问题（关于辐辏调节冲突，可以参见之前的文章：聊一聊VR3D显示舒适度的问题（下）辐辏调节冲突和下一代显示https://bbs.picovr.com/post/7111200168115961870）

比如下图原型机中通过黄色电机驱动中间透镜移动实现焦距调整