VR（Virtual Reality）即虚拟现实，从过去的非球面镜片、菲涅尔透镜、发展到如今的Pancake方案，无论是体积、还是图像质量都有了很大的提升。
但，你真的了解VR-Pancake的光学原理吗？如何实现厚度减薄？如何实现屈光度调节？未来的发展方向又在哪里？本文将带着这几个问题为大家一一说明。
关于VR-Pancake的直观印象
下图1所示的光路图大家应该都能从各大搜索引擎中搜索得到，其给人最直观的印象就是，两组镜片之间光路有折返。
其主要思路在于通过反射元件进行光路折叠，从而压缩光学模组厚度，使整机更加轻薄。
看到这里，大家可能存在的疑惑是，光线在两组镜片之间进行反射，那如何还能透射被人眼接收？这就不得不提“偏振”的作用。
图1 光路简图
VR-Pancake的偏振折反原理
首先简单介绍下光的偏振，光波是电磁波，其振动方向垂直于传播方向，偏振光的定义基于光波的电场分量E（光矢量），将光矢量在振动方向上的状态，称为光的偏振。
另外波片是一种相位延迟器件，例如1/4波片的特点是增加 Π/2的相位延迟，可使线偏振变成圆偏振，圆偏振变成线偏振。
图2 偏振原理示意简图
Pancake的偏振折反原理如下图3所示，显示屏经偏振片后出射为P方向的线偏光，经45°1/4波片1后为圆偏振光，再经45°1/4波片2后形成S方向的线偏光入射至偏振分光膜上（这里两个45°1/4波片的快轴方向成90°夹角）。
图3 偏振原理图
S光经偏振分光膜反射后，两次经过45°1/4波片2（其中透镜1面镀半透半反膜）形成P方向线偏振光，经透镜2入射至人眼，上述描述可能比较绕，大家可以结合图示细看。
Pancake如何实现屈光度调节
实现方式1——内调焦
将其中一组镜片作为移动组，如下图4所示，移动组镜片通过朝向某一方向移动实现屈光度的调节。
这种方式调节屈光度的优势在于镜头的总长不会发生改变；缺陷在于由于移动组镜片的移动会导致整个光路的系统参数发生变化，如焦距等。
这种情况下如果使用者左右眼视力差异大，那么左右眼内调焦的一致性不一样，会带来双目合像的问题，但由于人类强大的大脑，这些细微的差异在一定程度上可以脑补回来。
图4 内调屈光度原理
实现方式2——外调焦
这种方式是通过移动屏幕来进行屈光度的调节，如下图5所示，通过显示屏幕朝向某一方向的移动来实现屈光度的调节，这种调节方式的优势在于系统参数没有被改变，因此左右眼的焦距是一致的，左右眼图像的一致性会更好，容易实现合像；其缺陷在于由于移动屏幕，整个模组的总长会因此发生变化。
图5 外调屈光度原理
如何看Pancake的未来发展
写到这里，大家是不是觉得上述提到的Pancake方案既能减小厚度，又能实现屈光度调节，是一种近乎完美的方案。
其实不然，该方案目前存在的缺陷也较为明显，可总结为以下几点：
（1）厚度在2～3cm左右，离眼镜形态还较远；
（2）虽能实现屈光调节，但不能解决VAC的问题；
（3）多次折返的光路存在效率损失的问题；
（4）关键工艺中光学膜的性能及贴合工艺的要求较高。
结合上述提及的缺陷及业界技术的发展，Pancake未来的发展趋势可归纳如下。
（1）球面元件向平面元件的过渡，利用平面元件（全息光学元件HOE/超表面透镜）替代球面元件，实现轻薄化的眼镜形态；
（2）结合液晶器件，实现动态全局调控，解决VAC问题。
目前业界也逐渐出现了结合液晶、全息元件、光波导等技术的VR方案，如下图6所示为全息Pancake方案的原理示意，由于全息元件HOE在实现成像功能的同时，也可实现角度选择性（布拉格条件）的作用，用平面元件HOE替换透镜的方案可以实现厚度的减薄和效率的提升。
图6 全息Pancake方案
如下图7所示为NVIDIA的全息方案，为了缩小眼镜厚度（厚度2.5mm），全息像位于SLM后方（虚像作为后面成像目镜的实物），可以大大缩短入眼光路，且到目镜距离小于一倍焦距，通过目镜产生放大的虚像，同时结合动态SLM的调控，可以解决VAC的问题。
图7 基于SLM的全息VR方案
目前，由于此类方案仍存在一些缺陷，例如全息方案始终存在图像散斑及色差矫正的问题；液晶动态调控器件存在光焦调制范围有限及边缘像质不佳的问题，且目前还没有很好的解决方案，所以离商业化落地仍有一段距离。
但从长远来看，基于液晶偏振全息的方案，应该是最接近理想化的眼镜方案。
总结
Pancake方案将开启VR一体机的新未来，带来革命性的轻薄体验。
随着国内外研究越来越热，技术越来越成熟，我们有理由相信消费级的VR产品会越来越多且性能会越来越好。
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