今年10月的Meta Connect大會，Meta（原名Facebook）對其下一代VR原型Cambria進行了視頻展示。根據視頻所展示的，結合Meta的專利申請等信息，Cambria作為Meta下一代頭顯大概率采用短焦光學方案。
就在近日，近眼顯示專家卡爾·古塔格（Karl Guttag）在撰寫2021年AWE大會觀察到的產品研究時，又有了一些有關Cambria光學系統的新發現：Cambria或擁有可變焦功能。
今年11月，卡爾在撰寫有關MR頭顯Lynx 的AR透視功能時，開始聯想到其他輕薄的VR光學器件方案。為了制造更加輕薄的頭顯，Lynx所采用的是Pancake光學方案，公司將其稱作四折反射自由曲面棱鏡。
不只是Lynx，卡爾連續在2020年與2021年CES大會都有看到Kopin為松下制作的非常小型的VR頭顯原型，頭顯原型同樣使用Pancake。卡爾在對Pancake光學進行簡單搜索時，聯想到了2021年Meta Connect大會中Cambria視頻展示的畫面。
很顯然，其光學系統使用了偏振器和四分之一波片。為了更好的了解Meta在做什么，卡爾對Meta及其Pancake光學的相關專利進行了一個快速的搜索，發現了大約30項專利。
其中大約10項有相關性，另外，還有幾項專利申請中的示意圖則看起來與Connect 2021中Cambria的光學方案示意圖非常相似，這些專利申請的示意圖與一般的短焦方案相比，有一些額外的東西——可變焦LC元件（LC：可變化液晶）。
在進行具體的分析前，卡爾先給讀者補了補課，對Pancake的光學原理進行了簡要的講解。
Pancake光學方案當中，有一較為重要的器件叫作四分之一波片。四分之一波片（又被稱為相位延遲片），通常用于偏振光學，大多數AR光學系統借此控制光線。
Pancake光學同樣利用了四分之一波片，因此讀者對四分之一波片做一些基礎了解，有助于理解光學示意圖。
四分之一波片通常由塑料薄膜/片制成，透明度非常高，能對光進行圓偏振，并將其相位向左或向右延遲四分之一波長。如果將光在同一方向上以四分之一波循環延遲兩次，實際上進行了“半個波長”的旋轉，光則線性旋轉90度。從鏡子反射的光將導致圓偏振從右側或左側變為相反的圓偏振。
圖源：Edmond Optic“Polymer Polarizers and Retarders”
但請注意，來自鏡子的線偏振光將保持相同的線偏振。一個方向的線偏振光稱為“S”偏振，正好相反的偏振稱為“P”。此外，按照慣例，向下或向上/向下的箭頭表示“P”偏振，帶圓點的圓圈（表示箭頭在頁面內/外）表示“S”偏振。
美國創企Kopin通過其OLED微顯示屏推廣Pancake光學的歷史至少可以追溯到2年前。（下圖取自Chris Chinnock第一篇有關Kopin全塑料Pancake光學的評論）索尼也分別在2020年與2021年CES大會展示了Kopin采用Pancake光學器件的OLED微型顯示器。
Pancake光學器件具有“折疊路徑”，光線在相同的元件間來回反射，從而節省了空間。最靠近顯示設備的透鏡具有半反射鏡涂層，因此，既能在第一次透射時充當面透鏡，又能在光反射時充當曲面鏡。
下圖來自Meta專利申請 2020/0348528 中的的圖1和圖7 ，其基本結構設計與Kopin相同。最靠近顯示器的鏡頭一側有半反射鏡涂層，因此它既可以用作透鏡，也可用作反射鏡。
顯示器（110）可以是帶有線偏振器的OLED，其后跟著四分之一波片或發射圓偏振光（或類似東西）的LC型顯示器。來自顯示器的光向左進行圓偏振，并且50%的光穿過帶有部分鏡面涂層122的透鏡120。
光會被透鏡120折射，接著穿過四分之一波片124，四分之一波片將光從左圓偏振變為S線偏振，隨后光穿過可變LC透鏡130（后文詳細介紹）。
S偏振光之后被透鏡140表面上的偏振分束器反射，并通過可變透鏡130返回，并到達第一個透鏡120上的四分之一波片124，將S偏振改變回左旋。之后，光將被50/50鏡面122反射，這也將導致左旋圓形光變為右旋。
由于50/50鏡子是彎曲的，這也會使得光線彎曲。因此元件120充當一個方向的光的透鏡，以及另一個方向光的曲面鏡。
經過120元件的光經過四分之一波片124，變成線性P偏振，并穿過可變透鏡130，然后P偏振光可以穿過偏振分束器142，并在它射向眼睛時被透鏡140折射。折疊路徑使元件更加緊湊，元件120可作為兩個不同的元件工作。
?Meta的分段相位剖面（SPP）可變液晶（LC）透鏡?
Meta的專利申請中與一般的光學方案有一個非常大的不同，采用了：可變液晶（LC）透鏡130。在LC兩端施加電壓，可用作可變焦菲涅爾透鏡。
注意上圖，Meta在專利申請中還討論了多層LC透鏡的使用，更薄的多層透鏡切換速度會更快，并且能夠提供比厚度更大的單個透鏡更多的選擇。
LC的切換速度大致與LC百度的平方成正比，因此如果厚薄程度低十倍（正如專利申請中所討論的可能性），它的切換速度將提高約100倍。
液晶可以制作變焦鏡頭的個事實在業界是眾所周知的，在2018年CES上，卡爾第一次看到帶有Lumus波導的DeepOptics工作設備，DeepOptics開發LC控制透鏡已有約十年時間，并已開始銷售具有電動控制焦點的32°N 偏光太陽鏡。
從概念上講，Meta可以將類似Kopin的Pancake光學與類似DeepOptics的液晶透鏡技術相結合。
同樣，卡爾曾在有關Magic Leap 2光學方案分析中所講到的，從專利申請看，Magic Leap展示了他們已考慮在設計中添加可變焦距LC鏡頭。但正如卡爾在文章中所寫的，他會懷疑Magic Leap 2最終能否承受液體LC鏡頭帶來的額外光損。
可變焦距的意義在于視覺輻輳調節沖突，直接引用Meta專利申請的原文（圖來自Journal of Vision 2008）：
“當前的VR/AR/MR頭戴式顯示設備經常存在所謂的視覺輻輳調節沖突。（通常）立體圖像能夠驅動用戶的人類視覺系統的聚散狀態至任意距離，但（在頭顯中）用戶眼鏡的調節或聚集狀態被光學系統驅動到了一個固定的距離。”
“因此在長時間的VR/AR/MR環境中，視覺輻輳調節沖突會導致眼睛疲勞或頭痛，顯著降低用戶的視覺體驗舒適度。所公開的Pancake透鏡組件及其光學系統旨在解決一個或多個上述問題及其他問題。”
有關解決視覺輻輳調節沖突的討論并不是新鮮事，這在VR/AR設計社區被討論的很多。如果這一問題能夠得到有效解決，有能夠很大程度上提高大家佩戴頭顯的體驗。
目前沒有Meta或可靠的信源表示Meta的Cambria一定具備可變焦功能，卡爾有此觀點的證據主要是Meta的幾項專利申請信息與Connect大會上展示的Cambria較為相似，只是在展示的基礎上多了可變焦。
根據已知的一些信息，Cambria應該是一款更為高端的產品，視覺輻輳調節沖突又被視為VR頭顯的重要問題，Meta有采用可變焦提升體驗的可能。也許有人在此之前已將這些聯系起來，只是除了卡爾之外，網上還未有相關信息。
卡爾表示，Meta專利申請中的方法是對眼球進行追蹤，并調整眼睛感知的焦距以及與聚散度保持一致。從他從閱讀的資料來看，如果應用得很好，應該能很大程度解決頭痛和惡心的問題。
考慮到現實情況，這可能并非完美的解決方案，因為不僅僅要考慮眼睛對準的焦點是否與聚散度保持一致外，還要考慮成像中的所有其他因素，比如虛擬的3D距離如何，是否也將出現在相同的焦距等等。
卡爾說要使一切更好的工作，需要更加復雜的方法，包括聚焦平面（例如 Lightspace 3D）、光場（例如 Creal）、焦點表面（例如 Oculus Reseach），甚至是（真實的）全息圖（例如. 微軟 Siggraph 2017）等等。
原文始發于微信公眾號（VR陀螺）：Pancake+可變焦，揭秘Meta（Facebook）輕薄VR頭顯光學設計
