VR眼鏡Pancake方案中的光學膜
據(jù) IDC 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示， 2021 年全球 VR/AR 終端出貨量達到 1123 萬臺，同比增長 92.1% ，其中 VR 頭顯設(shè)備出貨量達到 1095 萬臺；預計 2022 年全球 VR 頭顯設(shè)備出貨 1573 萬臺，同比增長 43.6%
這其中使用了多種光學膜材，一套膜材， 2 片大約 2 英寸顯示屏那么大， 4cmX3cm ，市面價格可能在 20-100 元左右，那么雖然單平方的價格很貴， 1500 萬套的話，目前差不多 100 億左右的市場，當然現(xiàn)在是初始階段，隨著更多應用場景的開發(fā)，也許將來像手機一樣普及呢？
VR 產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，其一些新興的技術(shù)也慢慢出現(xiàn)，我們會聽到一些新的名詞，比如 Pancake ，這到底是一個什么樣的技術(shù)呢？今天我們來了解一下。
首先，使用那些光學技術(shù)，無非就是將眼睛前面的顯示屏放大，并且清晰可見。那么就使用放大鏡，比較成熟的技術(shù)如下：
非球面透鏡
菲涅爾透鏡
工作原理是假設(shè)一個透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度。或者可以將菲涅爾透鏡的每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。
以上是兩種傳統(tǒng)的成熟工藝，但是 VR 業(yè)界也都看好發(fā)展中的 pancake 技術(shù)路線，英文原意是小薄餅，用在這里，翻譯為折疊光路。這類工藝中，就會用到很多光學膜行業(yè)的產(chǎn)品，包括圓偏光片，線偏光片， 1/4 相位延時片，半透半反的分束鏡，反射型偏光片等等。如果不是光學專業(yè)的朋友，弄懂這些可是很不容易的。
先學一些基礎(chǔ)知識，掌握這些，你才可以看懂一點光路，當然也只是入門普及的知識。
光的偏振
光的波粒二象性，初中的物理知識，光既具有粒子性，也具有波動性。
因為光是一種電磁波，也是一類橫波。從偏振性的角度來說，光可以分為自然光、部分偏振光和偏振光（包括線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光）。
自然光是大量的不同振動方向的彼此無關(guān)的無優(yōu)勢振動方向取向的線偏振光的集合 . 自然光相對于傳播方向呈軸對稱性 . 普通光源發(fā)的光都是自然光，如陽光、燭光、鈉燈光等。
部分偏振光是相對于傳播方向就不呈軸對稱性而是有一個優(yōu)越的振動方向 . 自然光經(jīng)過反射或折射一般變成部分偏振光，自然光經(jīng)過散射一般也會變成部分偏振光。
偏振光則不顯得那樣雜亂無章。線偏振光在觀察時間內(nèi)，光矢量的大小隨時間改變，但振動方向始終不變；圓偏振光的光矢量的大小不變，但方向卻隨時間改變，沿（逆）著傳播方向看矢量端點的軌跡是圓周，對于左旋圓偏光取正，而對于右旋圓偏光取負。橢圓偏振光的道理和圓偏振光類似，光矢量的大小和方向都隨時間改變，矢量端點的軌跡是橢圓。
回到我們的熟悉的顯示行業(yè)，偏光片是接觸最多的光學薄膜產(chǎn)品，利用了碘系或染料系作為二向性介質(zhì)使 PVA 膜產(chǎn)生極性化偏光。光線垂直于偏光片吸光軸方向的通過，平行于光軸的被吸收。
偏光片常見的結(jié)構(gòu)如下，是一個多層光學膜結(jié)構(gòu)，其中最主要的是 PVA 層，由于 PVA 怕水汽等問題，兩面有 TAC 膜保護 PVA 膜，目前高端一點的產(chǎn)品，也有使用 COP 膜替代 TAC 膜。再由于需要貼合在液晶玻璃面上，需要涂布一層丙烯酸類的壓敏膠，這也是 OCA 光學透明膠的原型，光電類產(chǎn)品，需要防止在生產(chǎn)中劃傷等問題，在最外面需要貼合一層保護膜，這層膜完成組裝后會被撕掉，不隨產(chǎn)品一起。
目前這個偏光片產(chǎn)業(yè)，幾乎所有膜類原料都在日本廠商，比如 PVA 膜是 Kuraray 的， TAC 膜和光學補償膜是 Fujikura 和 Konica 的，保護膜是 Fujimori 和 Nitto 的，離型膜是 Misubishi 和 Toray 的?？粗芎唵蔚哪?，國內(nèi)的技術(shù)水平還是有很大差距，光學 PET 也沒有，潔凈度也達不到，精密涂布設(shè)備也沒有，國內(nèi)的幾家涉足這個領(lǐng)域的，如世華潔美等，基本上都是要使用更上游的日本設(shè)備和原料。而國內(nèi)的上市公司，勝波三利譜等，也是拿日本的膜材，進行拉伸和貼合，占有的核心技術(shù)不多，而那些號稱加工偏光片的模切廠，錦富冠石等，雖然不是簡單切一下，但是技術(shù)含量也不高。所以高端的光學膜材，仍然有很多被“卡脖子”的地方，中國業(yè)界朋友仍需努力。
QWP ， 1/4 相位延遲片 , Quarter Wave Plate
相比于傳統(tǒng)的 LCD 顯示屏， OLED 屏用的是圓偏振片，由于 OLED 用的線路是金屬的，如鋁，銀等，其表面反射光線。如果在顯示屏使用環(huán)境亮度高的情況下，顯示對比度降低且線路可見。圓偏振片就是在 LCD 用線偏振片上加了一層 1/4 相位延遲片。如下圖 Circular polarizer 圓偏光片就是 1/4 相位延遲片和 Linear Polarize 線偏光片的組合。
這個 1/4 相位延遲片在 OLED 顯示上會用，在 VR 顯示光路上也會單獨拿出來再被使用。如下圖示：入射自然光 Incident light 通過偏光片后變成線偏振，再通過 QWP1/4 波片后 , 變成右旋圓偏振光 , 在 OLED 面反射后 , 變成左旋圓偏振光 , 第二次過 QWP 后 , 相位延遲了 1/2, 相當于偏振方向改變了 90 度 , 而無法穿透偏光片 , 所以人眼就不容易看見 OLED 上的線路反射出來的印記了。而 OLED 屏上出來的光，不受大的影響。
波片，也稱相位延遲器，它可以使偏振光的兩個相互垂直的線偏振光之間產(chǎn)生相位延遲，從而改變光的偏振態(tài)，而光強不會改變。入射光必須是偏振光，如果是自然光透過還是自然光。
目前這一類產(chǎn)品，市場上只有日本的 Zeon 瑞翁一家可以提供，國內(nèi)在研究階段。 COP 聚烯烴膜，成膜的工藝設(shè)備也是不同于傳統(tǒng)的 MDTD 橫向縱向的拉伸，而是按照一定角度的拉伸，使用的 COP 粒子，基本上也只有日本的 Zeon ，三井，住友等公司能提供。
反射型偏光片， RP ， R efl ective Polarizer
由于光的偏振性，有時候用 S 光和 P 光來表示不同的偏振方向， S 和 P 分別是兩個德語單詞的首字母，即 Senkrecht 和 Parallel ，所以 S 表示垂直偏振光， P 表示 平行偏振光 。 VR 領(lǐng)域用的 RP 也是利用了光的偏振性。
盡管在 VR 領(lǐng)域， 3M 不把這個拳頭產(chǎn)品叫做 HARP ，多層聚合物偏振片，但是它的工作原理還是類似于他們現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品 DBEF 。
很多顯示領(lǐng)域的朋友，都聽過 DBEF 雙層增亮膜，用在背光里，可以大幅增加顯示屏的亮度，節(jié)省電量等效果。
DBEF 本質(zhì)上也是一個偏光片，當背光源的光， P 偏振光和 S 偏振光，不用 DBEF 的化，直接通過液晶 cell ，那么會有 50% 的亮度損失，因為 S 偏振光不能透過液晶的下偏光片；而 DBEF 使 P 光透過，但是反射 S 光，讓 S 光反射回背光后，再次變成 P 和 S 光入射過來，繼續(xù)來回反復，盡可能的將原來不能透的 S 光變成 P 光，增加了光的利用率。
BS ， Beam Splitter ，分光鏡，半透半反鏡
3M 有類似的產(chǎn)品，而業(yè)界也有干脆在棱鏡表面蝕刻光柵的方案來嘗試替代這個膜。
以 3M 公司生產(chǎn)的 PBS 膜來看，不足 0.1mm 厚度的膜內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)，具有如下的性能。對不同偏振方向的光線，透過率有巨大的差異。
最后，我們有了前面的儲備知識后，來看 Pancake 的光路圖 ：
1， 由于顯示屏一般使用 OLED 屏，屏上使用了圓偏光片，當然如果 LCD 屏，就可以再加一層 QWP ，所以發(fā)出右旋偏振光，經(jīng)過 BS 膜，光的強度損失 50% ，但是偏振態(tài)不變；
2， 通過 QWP ，右旋圓偏振光變成了 P 線偏振光；
3，P 光在 RP 膜面上反射，不能通過；
4，P 光再次過 QWP ，變回右旋偏振光；
5， 右偏振光在 BS 膜被反射回，且兩次相位的變化，變成左旋圓偏振光；
6， 第三次通過 QWP ，左旋偏振光變成 S 線偏振光；
7，S 線偏振光可以通過 RP 膜，進入人眼。
在實際設(shè)計中，可能在人眼前再加一面凸透鏡，這樣多次反射折射放大以后，就有很好的顯示效果。