Meta下一代Quest VR头显Cambria或支持变焦显示
“Cambria的惊喜发现”
（映维网 2021年12月07日）近眼显示技术专家、AR硬件/软件企业Rave首席科学家卡尔·古塔格（Karl Guttag）日前挖掘了Meta于10月举行的Connect 2021大会的视频，并撰文分享了自己的发现。总的来说，他认为Meta的下一代Quest VR头显Cambria或会支持变焦显示。
需要注意的是，尽管古塔格具备丰富的专业知识和从业经验，但社区对他的观点存在争议。另外，他只是根据视频画面进行分析，不一定符合实际效果。下面是映维网的具体整理：
1. 介绍：Meta Cambria的惊喜发现
我刚刚在介绍Meta下一代VR头显Cambria的Connect大会视频中发现了尚未有人报道过的方面。
在撰写下一篇AWE 2021见闻时（主要讨论Lynx的透视AR），我开始思考其他“细薄”VR型光学元件。Lynx光学系统的主要特点是使用折反射光学模块来制作更薄的透视AR头显（通过摄像头提供现实世界视图的VR设备）。我知道Kopin已经通过“Pancake Optics”来为松下开发了一个非常小的VR原型，并在CES 2020和CES 2021进行了演示。
显然，这种光学元件混合使用了偏振器和四分之一波片。但为了更好地了解他们正在做什么，我搜索了Facebook和Pancake光学元件的相关专利申请，并找到了大约30项，其中大约10项与其相关。几份密切相关的申请的图片看起来与Connect 2021大会的演示非常接近。但专利图提供了额外的元素：一个可变焦点LC元件（130）。
2. 四分之一波片（QWP）
QWP通常用于偏振光，大多数AR光学系统都利用它们来帮助控制光线。Pancake光学元件有用到QWP，所以知道QEP一定的基本特性有助于理解。
QWP通常由薄塑料膜/片材制成，非常透明。它们“圆极化”（方向正确时）并将其相位延迟四分之一波长，可以是左波长，可以是右波长。如果在同一方向上以四分之一波对光线进行两次循环延迟（实际上是“半波”旋转），光线将线性旋转90度。反射镜反射的光将导致圆偏振从右侧或左侧转到相反的圆偏振（参见上图）。但请注意，离开反射镜的线偏振光将保持相同的线偏振。线偏振光的一个方向称为“s”偏振，完全相反的偏振称为“p”。另外，按照惯例，向上或向上/向下箭头表示“p”偏振，带点的圆圈（表示箭头在页面内/外）表示“s”偏振。
3. Pancake光学元件，Kopin/松下，然后Meta
Kopin开发了并一直致力于推广基于Pancake光学元件的Micro-OLED显示器。松下已经在CES 2020和2021大会展示过Kopin的Pancake光学元件+Micro-OLED显示器。
Pancake光学元件通过“折叠路径”来节省空间。其中，光线通过和/或从相同的元件中来回反射。离显示器最近的透镜具有半反射镜涂层，所以它可以同时作为透镜和反射镜。
下面是Facebook专利申请2020/0348528的图1和图7，其显示了与Kopin设计相同的基本结构。离显示器最近的透镜一侧是半反射镜涂层，所以它同时起到透镜和反射镜的作用。
右上图是光线通过Pancake光学元件的基本路径。显示器（110）可以是具有线性偏振器和QWP的OLED，或发射圆偏振光（或类似）的LC型显示器。来自显示器的光被左圆偏振，并且50%将通过具有50/50部分反射镜涂层122的透镜120。光线将被透镜120折射，然后在离开透镜时通过QWP 124。QWP将使光从左圆偏振变为s线偏振。然后，光线通过可变LC透镜130。
然后，s偏振光从透镜140表面上的偏振分束器反射，并通过可变透镜130反射回第一透镜120上的QWP 124，这将s偏振光改变回左圆偏振。然后，光将从50/50反射镜表面122反射，从而将左圆偏振光变为右圆偏振。由于50/50反射镜弯曲，所以它会弯曲光线。故元件120在一个方向的光充当透镜，在另一个方向的光充当曲面镜。
来开透镜/反射镜120的光经过QWP 124，变成线性p偏振，并通过可变透镜130。然后，p偏振光可以通过偏振分束器142，并在其朝向眼睛出射时被透镜140折射。折叠路径令光学元件更加紧凑，而元件120可作为两个不同的元件。
4. Meta的分段相位剖面（Segmented Phase Profile；SPP）可变液晶透镜（DeepOptics和Magic Leap同样有采用这一方案）
Meta专利申请中有一个非常非常的区别：可变LC透镜130。在LC施加电压将使其变成可变焦距菲涅耳透镜，如下图所示。
在图5和图6（右上方）中，Meta专利同时讨论了多层LC透镜的使用。与单个较厚的透镜相比，更薄的多透镜切换速度更快，并提供了更多的选择。LC的典型切换速度大致与LC厚度的平方成正比。所以，如果薄十倍，则切换速度将快约100倍。
5. DeepOptics LC可切换透镜
LC可以制造可变焦距透镜在业界是众所周知的事实。在2018年CES大会，我第一次看到了配合Lumus波导的DeepOptics透镜。Deep Optics开发LC控制透镜已有大约十年的历史，并已开始销售具有电控焦距功能的32°N偏振光太阳镜和电控焦距。
从概念上讲，Meta似乎可以将类似Kopin的Pancake光学元件和类似DeepOptics的液体透镜技术结合起来。
正如我在之前关于Magic Leap的博文中所说，那家公司已经考虑在设计中增加可变焦距LC透镜。但正如我在文章所写，我倾向于怀疑Magic Leap 2最终是否能够承受液体LC透镜的额外光损。
6. 视觉辐辏调节冲突（Vergence Accomodation Conflict；VAC）
可变焦距的原因是为了应对VAC。
下面直接引用Meta：“当前的VR/AR/MR头显通常存在所谓的视觉辐辏调节冲突。其中，立体图像对将用户人类视觉系统的会聚状态驱动到任意距离，但用户眼睛的调节或聚焦状态被光学驱动到固定距离。这种冲突在长时间的VR/AR/MR会话期间会引起眼睛疲劳或头痛，显著降低用户的视觉体验。Pancake透镜组件及其光学系统旨在解决上述一个或多个问题，以及其他问题。”
解决VAC并不是什么新鲜事，这是AR和VR业界经常讨论的问题。
7. 结论
对于我认为Cambria会提供不同的焦距，没有任何知情人士告诉我相关消息。我唯一的证据是几份专利申请，以及Meta的Connect 2021大会视频。但由于Cambria是一款高端产品，而VAC是VR头显的一个主要问题，所以Cambr提供变焦功能似乎合情合理。或者已经有其他人撰写过类似的分析判断，但我没有在网上搜到。
Meta专利的方法是追踪眼睛，并调整眼睛感知到的焦距，使其与眼睛会聚一致。如果实施正确，它应该能够在很大程度上解决头痛和恶心的问题。就现实主义而言，这不是一个“完美”的解决方案。不仅眼睛瞄准的焦点要与聚散度一致，而且图像中的其他一切都需要位于相同的焦距（无论其虚拟三维距离如何）。要更好地实现，我们需要更复杂的方法，包括聚焦平面、光场、聚焦表面或（真正的）全息图。
