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Hypervision對蘋果Vision?Pro的Pancake光學元件的分析

（映維網Nweon?2023年06月28日）Hypervision是一家以開發(fā)寬視場VR Pancake光學器件而聞名的公司，而團隊日前發(fā)布了一篇關于蘋果Vision Pro的Pancake光學元件的分析：

Apple Vision Pro（AVP）配備了定制反射折射鏡片。反射折射鏡片已通過望遠鏡被眾人所知：通過一組鏡面來折疊光路，從而減少望遠鏡的尺寸。對于VR Pancake光學元件而言，反射折射方法同樣有用來折疊光路，以實現非常緊湊的鏡片模塊。不同的是，望遠鏡的視場很窄，而寬視場的Pancake透鏡則有用于操縱光偏振的元件。Pancake模塊可以基于單透鏡元件（如PICO 4實現）或多透鏡（如Quest?Pro實現）。為了簡單起見，我們將使用基于兩個透鏡元件的原理圖，如下所示：

在上述方案中，最具挑戰(zhàn)性的組件是四分之一波板QWP，它可以將線極化變?yōu)閳A極化。QWP不能變形，應該保持平坦，這給Pancake模塊的設計帶來了限制，因為它嵌入到前后透鏡之間。所以，現有Pancake模塊的解決方案限制為至少有一個平面，從而限制了VR光學設計的優(yōu)化。然而，這一限制在AVP光學系統(tǒng)中得到了解決。

對于AVP Pancake模塊的3晶元件，我們可以看到兩個元件的垂直面和水平面厚度有很大差異。如（1）所示，靠近顯示屏的左側透鏡元件的側面厚度要大于頂部。相反，中間的透鏡元件的頂部厚度大于側面，如（2）所示。假設AVP光學元件具有旋轉對稱性，這又該如何解釋呢？通過Meta（Facebook）的專利US20180120579A1，我們知道了答案。

專利US20180120579A1告訴了我們如何解決QWP（140）的變形限制。

右邊的專利圖可以看到，后曲面光學元件的后第二表面具有凹圓柱形表面輪廓，并且前曲面光學元件前第二表面的凸圓柱形表面輪廓與所述后曲線光學元件的凹圓柱形表面廓線重合，其中所述前第二表面和所述后第二表面通過粘合元件彼此聯(lián)接。

可以看出，QWP 140嵌入兩個圓柱形表面之間，使得平面QWP 140夾在表面404和416之間（或透鏡104和106之間），從而使其免于變形，所以QWP 140保持其線性到圓偏振轉換特性。

蘋果Vision Pro光學元件

蘋果XR頭顯的發(fā)布多次跳票，而他們一定有已經公開的申請專利（申請后，專利局會在18個月左右公開通過的專利）。事實上，蘋果已經申請了數項關于光學解決方案的專利，而專利US20210132349A1給出了相關的描述。

圖8是沿著Y軸觀察的橫截面?zhèn)纫晥D。四分之一波片28介于透鏡元件32的圓柱形表面S6和透鏡元件26的圓柱形表面S7之間，并且如圖8所示繞平行于Y軸的軸彎曲。圖9是沿X軸觀察的圖7的透鏡元件32和26的截面?zhèn)纫晥D，并示出了表面S6和S7如何不繞X軸彎曲。因為表面S6和S7具有這種圓柱形形狀，所以四分之一波片28不表現出復合曲率，并且不暴露于非期望的應力量，從而通過四分之波片28在整個透鏡組件提供相對均勻的延遲。

實際上，透鏡26和32正在創(chuàng)造具有轉換偏振光的獨特功能的單晶透鏡。這樣，APV克服了其他Pancake透鏡需要有平坦表面來疊加QWP的限制。

視場估計

據報道，AVP的水平視場在100度-110度之間。在下面的建模和分析中，我們顯示了主觀的實現，并導致了比媒體報道更大的視場。

AVP Pancake光學元件的優(yōu)點是靠近眼睛的凹面，可以實現相對緊湊的光學元件和大視場。通過分析鏡片和uDisplay的WEB圖片，并大致了解其尺寸，我們進行了以下假設：

• 瞳孔間距離IPD為65毫米（默認），預計可以調節(jié)；根據媒體報道，有3個位置

• 適眼距ER為12mm。面部接口很寬，但不能使用眼鏡，所以ER為12mm或更少。

• 左右模塊之間有一定傾斜，我們認為是5度（可能更多一點）。

• uDisplay有源區(qū)域： 27.6 x 22.8毫米。

考慮到上述假設，我們進行了如圖片所示的建模：

重要的是要區(qū)分外圍視場和旋轉視場。眼睛旋轉的舒適區(qū)是+/-30度，并且可以推到50度。由于簡單的幾何學原理，瞳孔位置比眼球旋轉中心近晶狀體8毫米，所以外圍視場（左眼所示）自然比旋轉視場（右眼所示）大。因此，水平旋轉單目視場是：42度（nasal）+50度（temporal）=92度，水平雙目視場是temporal的兩倍，所以是2×50°=100度。然而，所有用于營銷的數字都是在談論外圍視場。

通過對上述模型的測量，以下是外圍視場的結果：

• 水平：nasal50度+temporal60度=>總：單目水平50+60度=110度；雙目水平2×60度=120度；

• 立體重疊：2×50度=100度。

• 垂直：上45度+下45度；所以垂直方向的視場=90度。

我們接下來根據假設顯示器尺寸為27.6 : 22.8 = 1.21的長寬比來粗略驗證視場。單目水平：垂直是110度 : 90度 = 1.22。因此，上述假設是有意義的。

總而言之，假設的視場（H x V）是120度 x 90度。

PPD估算

對于PPD的計算，我們將作出以下假設：

• （1）每個視場角從顯示中心線性偏移

• （2）像素大小為7.395微米；基于假設的長寬比、方形間距，以及給定的23Mpx。

假設（2）和uDisplay尺寸導致的分辨率為3732 x 3083。最可能正確的水平分辨率是3840，是標準1920的兩倍。

通過堅持分辨率+假設（1）+假設視場，通過使用垂直視場和分辨率，計算出的PPD是3083 px/90度 ~ 34 PPD?？紤]到PPD可能是非線性的，最佳視點的結果可能有+/-10%的差異。另外，實際的視場和分辨率長寬比可能不同，對于較低的視場和較高的像素數+非線性，實際PPD可能達到40 PPD。

光追和視窗

對于正確設計的Pancake，其優(yōu)勢之一是邊緣到邊緣的清晰度，而AVP預計會如此。大視窗提供了令眼睛視軸和光學中軸錯位的可能性+不同于標稱的ER。 一般來說，相對于非球面或菲涅爾透鏡，Pancake透鏡同時提供了更大的視窗。但對于為uDisplay設計的Pancake透鏡，其像素非常?。ㄏ馎VP的7.4um），放大率非常強，沒有足夠的資源用于視窗，所以，視軸和光軸應該會很好地對齊。根據媒體報道，有3個位置用于調整IPD。

基于fast LCD的Pancake光學元件有x2-x3個較大像素，視窗可以相應地設計得更好。為了對視窗做出更精確的假設，我們可以在后面對AVP透鏡進行光追。在光追之后，我們將把材料匯編成應用說明。如有需要，請訪問這個頁面，并在最末尾的評論欄中留下你的信息。

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