Karl Guttag:专利暗示Meta下一代VR Cambria或配备可变焦透镜

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在去年FC大会上Meta公布了全新的短焦VR头显,代号Project Cambria,这款头显的特点是专注混合显示领域,具备RGB透视AR能力,还支持眼球追踪、面部追踪、升级的手势追踪和语音助手等功能,目的是提升VR社交、办公的体验感。

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目前Meta未公布关于Cambria的更多消息,仅公布其光学结构图和产品外观渲染图。据分析师预测,Cambria将于今年第二季度发布,配备Mini LED显示屏+2P Pancake短焦透镜。而近期,AR/VR光学专家Karl Guttag从公布的光学结构图中发现,Cambria的透镜结构或与Meta此前申请的专利十分接近。

从这些专利中,Guttag发现Cambria或将配备变焦液晶模组,用来缓解视觉辐辏调节冲突(VAC)。Guttag表示:在搜索Kopin开发的超薄Pancake透镜时,意外发现了Meta Connect 2021上公布的Project Cambria的一张图像,图中描绘了Cambria的Pancake透镜结构,而这种结构此前在Meta申请的专利中也有体现。

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从结构图来看,Cambria的光学模组采用了偏光镜和四分之一波片,与这种光学结构相关的Meta专利多达十几项。

四分之一波片延迟器(QWP Retarder)

Guttag指出,四分之一波片QWP常用于偏振光学方案,多数AR光学系统利用QWP来控制光线。此外,Pancake光学也采用QWP元件。

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聚合物偏振器和延迟器图解:通过反射表面来切换光线的偏振方向,常用于光线隔离方案

QWP通常由塑料薄膜制成,透光性高,在正确的方向时,线偏振光通过QWP变成圆偏振光,将相位延迟四分之一波长(向左或右方向均是如此)。当同一个方向的光两次通过QWP时,作用相当于一个半波片(二分之一波片),光线会线性旋转90°。而从镜面反射的光线会转换圆偏振光的方向(左右颠倒)。

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关于Kopin、松下和Meta的Pancake光学

在过去两年里,Kopin一直在研发适用于OLED微显示屏的轻薄塑料制Pancake透镜。Pancake光学采用折叠光路来节省空间,原理是让光线在光学模组中反复多次的折射、反射。最靠近显示模组的透镜配备半反射镜涂层,因此在光线第一次透过时充当折射镜,后续又可以作为曲面反射镜。

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在Meta专利2020/0348528中,图1和图7展示的光学结构与Kopin方案足够接近,靠近显示屏的透镜有一侧配备半反射镜涂层,同时具有折射和反射特性。

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此外,专利图中还描述了Pancake光学模组的基本光路,或采用具有线性偏振器的OLED搭配QWP,或是结合发射圆偏振光的液晶显示屏。显示屏发射的光线为左圆偏振,其中50%将透过半反射透镜得到折射,然后在QWP上得到反射,将光从左圆偏振转化为线性偏振,然后光线再通过可变焦液晶透镜,在另一个透镜上的偏振分束器上得到反射,再次通过可变焦液晶透镜,然后通过QWP,将线性偏振变回左圆偏振。

再接着,光线到达半反射曲面镜上得到反射,左圆偏振转化为右圆偏振,光线产生弯曲,然后通过QWP,转化为线性偏振,然后通过可变焦液晶透镜,再通过偏振分束器,经过透镜折射入人眼。靠近显示屏的透镜同时具有折射和反射两种特性,因此可以实现折叠的光路,缩小光学模组的体积。

关于可变焦液晶透镜

Meta专利中指出了一个关键的光学元件:可变焦液晶透镜,在上面施加电压后,可以充当可变焦菲涅尔透镜。在专利中,Meta还讨论了多层液晶透镜的尝试。与较厚的单个透镜相比,由更薄的透镜组合的模组响应速度更快,设计也更灵活。实际上,液晶透镜的响应速度大约和厚度的平方成正比,因此如果透镜的厚度缩小十倍,那么响应速度则会快100倍。

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我们知道,液晶技术可以应用于可变焦透镜的制造中。此前,以色列光学公司DeepOptics就曾展示可变焦透镜技术,可为AR/VR带来自动的动态聚焦效果。在CES 2018上,DeepOptics曾与Lumus合作,展示基于DeepOptics自适应透镜的光波导AR眼镜,其特点是支持动态变焦,视觉观感足够清晰,可缓解视觉辐辏调节冲突。截至目前,DeepOptics开发液晶透镜技术已经约10年时间,其技术已经应用于32°N Sunglasses推出的电动变焦偏光太阳镜中。

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理论上讲,Meta可能会同时融合Kopin Pancake的类似方案,以及接近DeepOptics的流体透镜技术。同样,Guttag此前也曾在Magic Leap专利中发现了可变焦液晶透镜的信息,不过他指出Magic Leap系列AR眼镜存在额外光损的问题难以解决。

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缓解视觉辐辏调节冲突

Meta在专利中指出,采用可变焦透镜的目的是缓解VAC,也就是视觉辐辏调节冲突。VAC指的是3D立体图像的动态焦距无法与人眼视觉匹配,从而产生模糊的视觉效果,引起视觉疲劳甚至眩晕。

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实际上,为了提升VR视觉清晰度,Varjo等VR头显配备两种不同的屏幕,并结合眼球追踪技术来动态渲染焦距。相比之下,如果采用可变焦液晶透镜则无需额外的屏幕,也是解决VAC问题的一种方式。

近年来,Meta在多项研究中探索VR动态变焦的可能性,比如基于机械屏幕变焦VR原型,或是动态渲染图像中模糊和清晰部分的DeepFocus算法等等。与机械变焦屏幕相比,可变焦液晶透镜的成本似乎更低。

总体来讲,通过动态变焦来提升视觉清晰度,将成为AR/VR接下来一个关键趋势,对于提升AR/VR体验感来讲很重要。而对于Meta将发布的高端VR头显Cambria,如果它采用液晶透镜来实现变焦,那么实际的效果也足够令人期待。

Guttag表示:目前没有消息告诉我Cambria将支持可变焦功能,目前唯一的证据只是几项专利,而这些专利中的概念图与FC大会上公布的图片十分相近,因此猜测Cambria有可能采用可变焦液晶透镜。当然,这并不是一个完美的VAC解决方案,因为可变焦液晶透镜会让VR中的所有图像处于相同的焦距,如此一来便无法模拟真实的深度信息。

我们知道,在现实生活中你看到的每个物体都在不同的距离、角度,因此拥有不同的深度。而在2D屏幕上你看到的画面几乎在同一个焦距,因此缺少立体感。立体感是VR的关键特质,除了DeepFocus智能模糊算法外,目前也有一些更好的办法可解决动态变焦的问题,比如容积式3D显示方案Lightspace3D、Focus Surfaces、光场方案Creal,或是真正的全息等等。参考:KG

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