苹果Vision Pro Pancake透镜解析

苹果Vision Pro的发布带来了大量关注度，尤其是光学方面几乎没有太多参数。围绕屏幕和Pancake模组也有不少的讨论，今天我们就来看看其中的Pancake光学模组。

近期，HyperVision凭借自身在VR光学领域的经验，分析并预测了Vision Pro的部分光学参数，比如Pancake模组的FOV、PPD等等。

(资料图片仅供参考)

据悉，苹果在2022年收购了Lynx R1头显的光学透镜供应商Limbak，后来Lynx改为投资以色列VR光学方案商HyperVision，计划在未来的VR头显中采用后者开发的大视场角透镜。HyperVision专注研发尺寸轻薄、大视场角VR透镜技术，包括适合VST透视头显的Pancake模组，视场角可达到240°x95°。

透镜结构分析

​Vision Pro采用定制的三片式透镜，是一种折反射透镜，很可能是Pancake的变种类型。Pancake的优势不用多说，基于折叠光路缩短光学TTL（光学路径），从而减轻光学模组的厚度，间接有利于VR头显减轻厚度。

Pancake通常由一片或多片透镜组成，比如：PICO 4采用单片透镜，而Quest Pro则基于多片透镜。上图是以2片透镜Pancake为例，其结构包含以下几种组件：2个1/4波片（延迟器）、半反射透镜、反射式偏振器。

其中，2号1/4波片最为重要，它的作用是将线性偏振光转化为圆偏振光，特点是需要保持平整、不能变形，而这也为Pancake透镜设计带来了限制。因此，市面上常见的Pancake方案至少要有一个平面。

不过，Vision Pro光学模组似乎有所不同，它采用3片透镜方案，并且从结构图来看其中2片透镜采用非规则设计，如上图1、2号透镜中，1号透镜顶部薄、中间厚，而2号透镜顶部厚、中间薄。似乎，1、2号透镜具有旋转对称性，这又是怎么一回事呢？

VR光学透镜公司HyperVision近期对Vision Pro的透镜进行了分析，发现：这种非平面的Pancake设计方案此前在Meta的专利中也出现过，设计的关键在于曲面透镜要符合其非球面曲度。

Meta专利-US20180120579A1

在Meta一份2018年的专利（US20180120579A1）中，就采用了曲面Pancake设计方案，如上图1A，解决了之前1/4波片无法变形的限制。专利中提到：420透镜的内凹面和440透镜的外凸面轮廓一致，如上图4B、4C。并且，420透镜由2块透镜粘合而成，其中包含一个平面。

再综合图1A，其中1/4波片“140”被嵌入在2个非球面透镜“104”和“106”中间。因为平面1/4波片薄膜在非球面透镜中不改变线偏振和圆偏振转换的特性，因此可以做到曲面设计。

可以肯定的是，苹果已经为Vision Pro申请了相关专利，不过这些申请中的专利可能在18个月之后才会公布出来。当然，苹果此前的专利中也有部分相关的内容。比如US20210132349A1专利就和Vision Pro透镜相关。

苹果专利-US20210132349A1

根据专利图显示，”28号“1/4波片位于26和32号透镜之间，功能也是实现偏振态的转换。这个转换也可以通过图8、图9来了解，26号和32号透镜的功能是不变的，从而实现曲面设计。

FOV分析

据体验过Vision Pro人表示，Vision Pro的水平FoV大约在100°到110°之间。HyperVision根据建模分析，Vision Pro的透镜FOV可能比110°更大，这一点仅供分析参考。

Vision Pro光学透镜在靠近人眼的位置为凹面，好处是在实现相对紧凑光学结构的同时，还能提供大视场角。通过分析苹果公开的透镜和Micro OLED屏幕图片，以及大致的尺寸，HyperVision作出以下假设：

1）IPD默认为65mm，预计有三档可调（根据体验反馈）；

2）适眼距（eye relief）约12毫米以下，面罩具有宽度，但不适合戴眼镜；

3）左右模组非同一平面，安装存在角度，这里假设为5°（也有可能更大）；

4）Micro OLED显示面积为27.6x22.8mm（对角线距离为35.8mm/1.41”）。

Vision Pro光学模组建模

根据上述假设，HyperVision对Vision Pro光学系统进行建模，结果发现：

FOV参数可分为两种，一种是周边FOV（人眼直视时的视场角）和旋转FOV（注视点偏离中心的最大旋转视场角）。先来预测旋转FOV：眼球旋转舒适角度在30°左右，强制情况下可达50°，由于眼球旋转时瞳孔位置比正视时更靠近透镜（近约8毫米），通过简单的几何推理，得出周边FOV明显大于旋转FOV。假设水平旋转FOV=42°（鼻侧）+50°（太阳穴侧）=92°，那么水平双目FOV是太阳穴侧视场角的两倍，就是100°。

通过建模进行测量，可得出水平周边FOV=50°（鼻侧）+60°（太阳穴侧）=单眼水平FOV 110°、双眼水平FOV 120°，而立体重叠部分则为2x50°=100°。垂直FOV则为45°（上）+45°（下）=90°。

接下来，根据假设的显示器长宽比来粗略验证，单眼水平FOV与垂直FOV的比例为110°/90°≈1.22。

PPD分析

为了估算PPD，HyperVision做出以下假设：

1）每个视角相对于显示屏中心的位置遵循线性偏移；

2）像素尺寸为7.395μm（基于假设的宽高比、方距和显示屏总像素数量）。

根据上述假设，并结合Micro OLED屏幕尺寸（1.41英寸），预测屏幕分辨率约为3732x3083。比较合理的预计是水平分辨率为3840，是标准规格1920的两倍。接着在结合假设的FOV，计算出Vision Pro的PPD大约为34，考虑到光学元件可能具有非线性放大倍率，中心甜蜜点的PPD可能有10%左右差异。考虑到实际FOV、分辨率纵横比可能不同，当FOV较低、像素数较高时，实际PPD最高可能达到40。

HyperVision预计，Vision Pro头显采用精心设计的Pancake透镜，因此可以得到很好的边缘清晰度。不过，由于将Pancake透镜与Micro OLED屏幕结合，眼动范围可能受限。相比于非球面透镜、菲涅尔透镜，理论上Pancake具有更大的眼动范围和优化的适眼距，然而Micro OLED像素尺寸非常小（Vision Pro屏幕像素估算为7.4μm），而Pancake透镜放大倍率很高，于是没有足够的像素能支撑起大眼动范围，所以此类光学方案依赖于视觉中心与光线中心的对齐。值得注意的值得注意的是，体验者的反馈是似Vision Pro只有三档IPD调节，不支持连续调节的话可能会降低用户的视觉体验。

相比之下，基于大尺寸LCD屏幕的Pancake模组放大倍率在2-3倍，这也有利于实现较大Eyebox的设计。为了验证Eyebox部分，后续HyperVision还会进一步分析Vision Pro光学透镜的光路。参考：HyperVision