VR眼鏡Pancake方案中的光學膜

據 IDC 統計數據顯示， 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 頭顯設備出貨量達到 1095 萬臺；預計 2022 年全球 VR 頭顯設備出貨 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，當然現在是初始階段，隨著更多應用場景的開發，也許將來像手機一樣普及呢？

VR 產業的日益發展，其一些新興的技術也慢慢出現，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呢？今天我們來了解一下。

首先，使用那些光學技術，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，比較成熟的技術如下：

非球面透鏡

菲涅爾透鏡

工作原理是假設一個透鏡的折射能量僅僅發生在光學表面（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?；蛘呖梢詫⒎颇鶢柾哥R的每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。

以上是兩種傳統的成熟工藝，但是 VR 業界也都看好發展中的 pancake 技術路線，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的產品，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。如果不是光學專業的朋友，弄懂這些可是很不容易的。

先學一些基礎知識，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的無優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越的振動方向 . 自然光經過反射或折射一般變成部分偏振光，自然光經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，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。

偏光片

回到我們的熟悉的顯示行業，偏光片是接觸最多的光學薄膜產品，利用了碘系或染料系作為二向性介質使 PVA 膜產生極性化偏光。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。

偏光片常見的結構如下，是一個多層光學膜結構，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，光電類產品，需要防止在生產中劃傷等問題，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，不隨產品一起。

目前這個偏光片產業，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?，國內的技術水平還是有很大差距，光學 PET 也沒有，潔凈度也達不到，精密涂布設備也沒有，國內的幾家涉足這個領域的，如世華潔美等，基本上都是要使用更上游的日本設備和原料。而國內的上市公司，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，中國業界朋友仍需努力。

QWP ， 1/4 相位延遲片 , Quarter Wave Plate

相比于傳統的 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生相位延遲，從而改變光的偏振態，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。

目前這一類產品，市場上只有日本的 Zeon 瑞翁一家可以提供，國內在研究階段。 COP 聚烯烴膜，成膜的工藝設備也是不同于傳統的 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 領域用的 RP 也是利用了光的偏振性。

盡管在 VR 領域， 3M 不把這個拳頭產品叫做 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有的成熟產品 DBEF 。

很多顯示領域的朋友，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，節省電量等效果。

DBEF 本質上也是一個偏光片，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 有類似的產品，而業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 公司生產的 PBS 膜來看，不足 0.1mm 厚度的膜內的微觀結構，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 ，所以發出右旋偏振光，經過 BS 膜，光的強度損失 50% ，但是偏振態不變；

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。