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3M短焦光学VR一体机拥有独有的反射偏振片HARP
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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