蘋果Vision Pro的發布帶來了大量關注度，尤其是光學方面幾乎沒有太多參數。圍繞螢幕和Pancake模組也有不少的討論，今天我們就來看看其中的Pancake光學模組。
近期，HyperVision憑藉自身在VR光學領域的經驗，分析並預測了Vision Pro的部分光學參數，比如Pancake模組的FOV、PPD等等。
據悉，蘋果在2022年收購了Lynx R1頭顯的光學透鏡供應商Limbak，後來Lynx改為投資以色列VR光學方案商HyperVision，計劃在未來的VR頭顯中採用後者開發的大視場角透鏡。HyperVision專注研發尺寸輕薄、大視場角VR透鏡技術，包括適合VST透視頭顯的Pancake模組，視場角可達到240°x95°。
透鏡結構分析
Vision Pro採用定製的三片式透鏡，是一種折反射透鏡，很可能是Pancake的變種類型。Pancake的優勢不用多說，基於摺疊光路縮短光學TTL（光學路徑），從而減輕光學模組的厚度，間接有利於VR頭顯減輕厚度。
Pancake通常由一片或多片透鏡組成，比如：PICO 4採用單片透鏡，而Quest Pro則基於多片透鏡。上圖是以2片透鏡Pancake為例，其結構包含以下幾種組件：2個1/4波片（延遲器）、半反射透鏡、反射式偏振器。
其中，2號1/4波片最為重要，它的作用是將線性偏振光轉化為圓偏振光，特點是需要保持平整、不能變形，而這也為Pancake透鏡設計帶來了限制。因此，市面上常見的Pancake方案至少要有一個平面。
不過，Vision Pro光學模組似乎有所不同，它採用3片透鏡方案，並且從結構圖來看其中2片透鏡採用非規則設計，如上圖1、2號透鏡中，1號透鏡頂部薄、中間厚，而2號透鏡頂部厚、中間薄。似乎，1、2號透鏡具有旋轉對稱性，這又是怎麼一回事呢？
VR光學透鏡公司HyperVision近期對Vision Pro的透鏡進行了分析，發現：這種非平面的Pancake設計方案此前在Meta的專利中也出現過，設計的關鍵在於曲面透鏡要符合其非球面曲度。
Meta專利-US20180120579A1
在Meta一份2018年的專利（US20180120579A1）中，就採用了曲面Pancake設計方案，如上圖1A，解決了之前1/4波片無法變形的限制。專利中提到：420透鏡的內凹面和440透鏡的外凸面輪廓一致，如上圖4B、4C。並且，420透鏡由2塊透鏡粘合而成，其中包含一個平面。
再綜合圖1A，其中1/4波片「140」被嵌入在2個非球面透鏡「104」和「106」中間。因為平面1/4波片薄膜在非球面透鏡中不改變線偏振和圓偏振轉換的特性，因此可以做到曲面設計。
可以肯定的是，蘋果已經為Vision Pro申請了相關專利，不過這些申請中的專利可能在18個月之後才會公布出來。當然，蘋果此前的專利中也有部分相關的內容。比如US20210132349A1專利就和Vision Pro透鏡相關。
蘋果專利-US20210132349A1
根據專利圖顯示，」28號「1/4波片位於26和32號透鏡之間，功能也是實現偏振態的轉換。這個轉換也可以通過圖8、圖9來了解，26號和32號透鏡的功能是不變的，從而實現曲面設計。
FOV分析
據體驗過Vision Pro人表示，Vision Pro的水平FoV大約在100°到110°之間。HyperVision根據建模分析，Vision Pro的透鏡FOV可能比110°更大，這一點僅供分析參考。
Vision Pro光學透鏡在靠近人眼的位置為凹面，好處是在實現相對緊湊光學結構的同時，還能提供大視場角。通過分析蘋果公開的透鏡和Micro OLED螢幕圖片，以及大致的尺寸，HyperVision作出以下假設：
- 1）IPD默認為65mm，預計有三檔可調（根據體驗反饋）；
- 2）適眼距（eye relief）約12毫米以下，面罩具有寬度，但不適合戴眼鏡；
- 3）左右模組非同一平面，安裝存在角度，這裡假設為5°（也有可能更大）；
- 4）Micro OLED顯示面積為27.6x22.8mm（對角線距離為35.8mm/1.41」）。
Vision Pro光學模組建模
根據上述假設，HyperVision對Vision Pro光學系統進行建模，結果發現：
FOV參數可分為兩種，一種是周邊FOV（人眼直視時的視場角）和旋轉FOV（注視點偏離中心的最大旋轉視場角）。先來預測旋轉FOV：眼球旋轉舒適角度在30°左右，強制情況下可達50°，由於眼球旋轉時瞳孔位置比正視時更靠近透鏡（近約8毫米），通過簡單的幾何推理，得出周邊FOV明顯大於旋轉FOV。假設水平旋轉FOV=42°（鼻側） 50°（太陽穴側）=92°，那麼水平雙目FOV是太陽穴側視場角的兩倍，就是100°。
通過建模進行測量，可得出水平周邊FOV=50°（鼻側） 60°（太陽穴側）=單眼水平FOV 110°、雙眼水平FOV 120°，而立體重疊部分則為2x50°=100°。垂直FOV則為45°（上） 45°（下）=90°。
接下來，根據假設的顯示器長寬比來粗略驗證，單眼水平FOV與垂直FOV的比例為110°/90°≈1.22。
PPD分析
為了估算PPD，HyperVision做出以下假設：
1）每個視角相對於顯示屏中心的位置遵循線性偏移；
2）像素尺寸為7.395μm（基於假設的寬高比、方距和顯示屏總像素數量）。
根據上述假設，並結合Micro OLED螢幕尺寸（1.41英寸），預測螢幕解析度約為3732x3083。比較合理的預計是水平解析度為3840，是標準規格1920的兩倍。接著在結合假設的FOV，計算出Vision Pro的PPD大約為34，考慮到光學元件可能具有非線性放大倍率，中心甜蜜點的PPD可能有10%左右差異。考慮到實際FOV、解析度縱橫比可能不同，當FOV較低、像素數較高時，實際PPD最高可能達到40。
HyperVision預計，Vision Pro頭顯採用精心設計的Pancake透鏡，因此可以得到很好的邊緣清晰度。不過，由於將Pancake透鏡與Micro OLED螢幕結合，眼動範圍可能受限。相比於非球面透鏡、菲涅爾透鏡，理論上Pancake具有更大的眼動範圍和優化的適眼距，然而Micro OLED像素尺寸非常小（Vision Pro螢幕像素估算為7.4μm），而Pancake透鏡放大倍率很高，於是沒有足夠的像素能支撐起大眼動範圍，所以此類光學方案依賴於視覺中心與光線中心的對齊。值得注意的值得注意的是，體驗者的反饋是似Vision Pro只有三檔IPD調節，不支持連續調節的話可能會降低用戶的視覺體驗。
相比之下，基於大尺寸LCD螢幕的Pancake模組放大倍率在2-3倍，這也有利於實現較大Eyebox的設計。為了驗證Eyebox部分，後續HyperVision還會進一步分析Vision Pro光學透鏡的光路。參考：HyperVision
