华为VR产品
本篇文章阐述偏振学在VR中的应用，主要是针对借助偏振光特点实现光路折叠的折反式VR光学方案的专利剖析，并结合专利中的某一个方案进行光学建模及剖析。本文会涉及到反射式偏振光片（膜）、1/4相位延后片，以及线偏振和圆偏振的应用。
1）背景介绍
如图1所示，常见的VR光学方案是采用单片折射式透镜，通常是采用非曲面透镜或菲涅尔透镜。从功能上来说，VR透镜就是一个放大镜，将显示元件（LCD、OLED等）上的图象放大，在用户眼前的一定距离上产生一个放大的实像。
图1单片折射式透镜VR光学方案
图1中的非球面透镜的长度一般是在10~15mm左右，透镜后侧表面顶点距离显示器表面大约是30~40mm左右，用户的耳朵距离透镜右边表面顶点大约是15~20mm左右。为此，图1中的光路总长（从用户双眼到显示器）大约是60mm左右。考虑到VR头戴显示器的硬件电路和结构设计，其整体长度在80mm左右，整机重量在400g~500g左右。将接近一斤重的东西置于身上，配戴半小时以上会是怎么一种体会？相信体验过VR头显的读者应当深有感悟。
虽然将非球面透镜换成菲涅尔透镜，其长度也不过只能减少8mm左右，作用相当有限。为了就能明显降低VR头显的整体长度，最可行的方案就是将VR光路总长明显减少，本文即将剖析的专利中的光学方案就可以实现这个目标。
2）专利剖析
本文的专利剖析是基于3M公司早已公布的专利。有想要这篇专利的男子伴可以在公众号里回复自己的邮箱，我会把专利文件发送到你的邮箱。
为了有效降低VR光路总长，考虑把单片折射式透镜更换为折反式光学方案，借助光的反射来减短光路总长，如图2所示。图2所示方案是3M专利其中的一种，其他方案详见专利。
图23M专利中的折反式VR光学方案
下边依照图2解释该光学方案的工作原理。该方案包含有两个弯月形透镜（Lens1912、Lens1922）和一个显示面板（），1935是入瞳面，可以觉得是用户的耳朵眼瞳所在的位置。为了解释便捷，将Lens1912称为透镜1，将Lens1922称为透镜2。
我们从光学设计的角度来剖析光线的传播方向，即光线从入瞳面1935发出，穿过透镜1的右侧表面11和两侧表面12后，入射至透镜2的一侧表面21后发生部份反射（表面21镀有部份反射膜），之后入射至透镜1的左侧表面12后发生偏振光反射（表面12镀有反射偏振光片和1/4相位延后片），之后再穿过透镜2，最终抵达显示面板表面1930。实际的光线传播方向与上述路径恰巧相反，即光线从显示面板发出，最终抵达用户的眼瞳（入瞳面1935）。
透镜2的一侧表面21镀有部份反射膜（），部份反射膜的作用是既可以透过一部份光线，又可以反射一部份光线，最典型的就是半反半透膜。部份反射膜可以是金属膜，可以是介质膜，也可以是二者的混和膜层。须要注意的是，部份反射膜不改变光的偏振光特点。
透镜1的左侧表面镀有反射偏动圈（）和1/4相位延后片（wave，业内习惯称之为相位延后片或则波片）。这儿所说的“镀”并不是传统意义上的镀膜技术。专利中有说到，反射偏动圈是事先制备好的平原液层，之后通过热弯成形技术使其成为特定的二维曲面，并不是直接在透镜的二维曲面上直接镀膜的。须要注意的是，1/4相位延后片必需要在反射偏动圈的前面，假如次序反了，该系统就不能正常工作了。
既然采用了偏振光反射，该系统中的成像光束都应当是偏振，这么显示面板发出的光也必须是偏振。其实专利中并未明晰说明显示面板采用的是哪种偏振，但通过剖析，可以推测该方案中的显示面板发出的只可能是圆偏振（左旋或右旋圆偏振）。
图3偏振光线传播示意图
图3给出了光线在传播路径上的偏振光特点，图中省略了圆偏振经过1/4相位延后片后与线偏振的转换过程。透镜1左侧表面的红色和白色膜层分别代表反射偏动圈和1/4相位延后片，透镜2两侧白色膜层代表部份反射膜。图中逆秒针方向的红色箭头代表左旋圆偏振，顺秒针方向的蓝色箭头代表右旋圆偏振。
假定显示面板发出的是左旋圆偏振，穿过透镜2以后，入射至透镜1右边表面12上。因为1/4相位延后片在下层，所以光线先穿过1/4相位延后片，则左旋圆偏振会弄成线偏振。按照1/4相位延后片的快慢轴方向，左旋圆偏振可能会变为水平线偏振，也可能会弄成垂直线偏振。假定光线弄成了垂直线偏振（即s偏振，偏振光方向与图3中的x轴平行，垂直于纸面），之后入射至反射偏动圈上。反射偏动圈可以反射s偏振眼镜透镜成像原理，透过水平线偏振（即p偏振）。因此，s偏振被反射后，再度穿过1/4相位延后片，弄成了右旋圆偏振。右旋圆偏振入射至镀有部份反射膜的面21上被反射，反射后的右旋圆偏振第三次穿过1/4相位延后片以后，弄成了p偏振（偏振光方向与图3中的Y轴平行），此岁月线可以透过反射偏动圈，最后穿过透镜1抵达入瞳面。
3）案例剖析
按照前面剖析的折反式VR光学方案，进行建模并进行优化设计，得到如图4所示的光学设计方案。透镜1采用PMMA材料，透镜2采用E48R材料。
图4Zemax优化设计案例
该光学系统的设计参数见表1，全视场角90°，入瞳半径6mm，入瞳距离15mm，系统有效焦距23mm，系统总长为27.85mm，只有图1所示的传统VR光学方案系统总长的一半，可以明显降低VR整机的长度。最大视场角对应的畸变量为-14.5%，也显著大于传统VR光学方案。
表1折反式VR光学系统设计参数
图5给出了该VR光学系统在6mm入瞳半径情况下对应的MTF曲线。在空间频度20lp/mm处，最大视场角对应的MTF值小于0.2。20lp/mm的空间频度对应的显示元件象素规格为25um。因而，与传统VR光学系统相比，该系统具有特别好的成像质量。
图5折反式VR光学系统的MTF曲线
按照以上设计参数，根据水平视场角和垂直视场角都是90°进行估算，则该系统对应的显示面板规格是39..4mm，对角线规格是55.72mm（~2.2inch），而相同视场角的传统VR光学方案对应的显示面板规格大约是3.5inch左右。
经过以上光学设计结果剖析，对比传统VR光学方案，折反式光学方案的优势有以下几点：
a）光学系统总长明显减短，减短约50%；
b）光学成像质量（MTF）明显增强，相同视场角对应的畸变量减少；
c）在相同视场角下眼镜透镜成像原理，系统所需的显示面板规格显著降低，可以减少成本。
目前，采用上述折反式光学方案的VR产品有多哚的V1（之前拆解过），可能采用上述方案的产品有华为的VRGlass，平行现实科技的VR。