Pancake把光路折叠了，为什么亮度也明显下降？

近几年，Pancake逐渐成为VR近眼显示中极具代表性的光学架构。

它最直观的优势，是“薄”。

通过让光线在有限空间内多次折返，Pancake能够把较长的有效光程压缩进更短的机械厚度，从而减小头显前端的体积。也正因为如此，它被广泛用于追求轻薄化的VR与MR设备。

但是，当工程师真正开始设计Pancake系统时，通常很快就会遇到另一个问题：

光路确实变短了，为什么画面也明显变暗了？

很多人会把亮度下降归因于镜片透过率不够高。

于是继续优化材料、镀膜和显示亮度。

这些工作当然有价值。

但Pancake的效率问题，首先并不是普通镜头意义上的“透过损耗”。

它来自整个折叠架构的工作方式。

Pancake并不是简单地把镜头折起来

普通折射式镜头主要依靠透射和折射完成成像。

光从显示屏出发，经过镜组后进入人眼。

只要不考虑少量表面反射、吸收和口径截断，大部分光能沿着一条相对明确的主路径传播。

Pancake则不同。

典型Pancake系统通常包含：

• 部分反射面；
• 四分之一波片；
• 反射偏振器；
• 一个或多个具有光焦度的曲面。

光线必须依靠偏振状态的变化，在这些元件之间完成特定的反射和透射循环，最后才能从折叠腔中输出并进入人眼。

所以，Pancake不是一个“加入偏振元件的镜头”。

更准确地说，它是一套：

依靠偏振选择建立主光路的折叠成像系统。

这也是理解它效率问题的第一步。

光线为什么要经历两次能量选择？

为了看清这个问题，可以先考虑一个理想化的经典Pancake结构。

假设显示源发出的目标偏振光功率为100%。

第一次到达半反半透面时，只有一部分光进入折返路径。

如果采用理想的50:50能量分配，那么大约一半的光继续参与后续传播，另一半已经离开目标路径。

光经过波片和反射偏振器完成一次折返后，再次到达部分反射面。

此时，为了射向人眼，它还需要再通过一次能量分配。

在这一理想化模型中：

100%

↓

第一次50:50分配

↓

50%

↓

第二次50:50分配

↓

25%

因此，经典半反半透式Pancake架构的理论光效率上限通常只有约25%。如果光源最初是非偏振的，而系统还需要先筛选出一个线偏振分量，那么基础效率还可能进一步下降到约12.5%。这些数字描述的是特定经典架构的理想能量分配，并不代表所有Pancake产品都具有相同效率。

这意味着：

即使所有元件都是理想的，Pancake也可能在结构层面损失大量光能。

这不是材料不够透明。

也不是镜片加工不够好。

而是利用部分反射和偏振选择换取折叠光程时，系统必须支付的基础能量代价。

但真实系统的损失远不止25%

如果只用两次50:50分配解释Pancake效率，仍然过于简单。

真实系统中的每个元件，都不是一个与条件无关的固定数字。

其反射率、透射率和偏振响应可能同时依赖：

• 波长；
• 入射角；
• 光线方位；
• s、p偏振分量；
• 曲面局部法线；
• 膜层结构；
• 元件制造误差。

因此，Pancake的真实能量链并不是：

总功率 × 若干固定透过率。

它更像是：

一个随空间位置、传播方向、波长和偏振状态不断变化的矢量能量传递过程。

真正的效率损失，通常发生在多个节点。

第一处损失：光还没进入折叠镜组

Pancake需要特定的输入偏振态。

如果显示源本身输出的是非偏振光，或者偏振纯度不足，系统首先就要通过输入偏振器建立所需的线偏振态。

不满足要求的偏振分量会被吸收或排除。

因此，显示源即使具有很高的总亮度，也不代表这些光全部能够进入Pancake的有效路径。

近年的高效率Pancake研究开始尝试从发光源本身提高偏振发射比例，正是为了减少传统结构在初始偏振筛选阶段的能量损失。

这提示我们：

Pancake的效率问题，可能在光进入镜头以前就已经开始。

评价显示源时，不能只看总亮度。

还要看它输出了多少符合系统要求的偏振光。

第二处损失：部分反射面不是一个固定的50:50

在示意图中，部分反射面经常被画成一个简单的半反半透面。

但在真实系统中，它的反射和透射可能随波长、角度及偏振发生变化。

Pancake通常需要覆盖RGB三个颜色通道，也需要支持一定的视场范围。

这意味着中心视场的绿光和边缘视场的红光，看到的可能并不是同一个“50:50”。

更重要的是，这个表面同时参与多段光路。

提高某一次传播中的透射率，可能会降低另一次传播中的目标反射率。

它还可能改变：

• 主光路能量；
• 非目标往返路径；
• 鬼像强度；
• 系统色彩平衡。

所以，部分反射面的设计目标不能只是：

让透过率更高。

它真正需要回答的是：

在整个偏振循环中，如何把更多能量送入最终目标通道，同时控制寄生通道？

第三处损失：四分之一波片并不总能产生理想圆偏振

四分之一波片在Pancake中承担着非常关键的任务。

理想情况下，线偏振光经过它后变成圆偏振光；完成反射后，圆偏振的手性发生改变；再次经过波片时，它被转换成与原来正交的线偏振态。

反射偏振器正是通过识别这种偏振变化，决定光应该反射还是透射。

但真实波片的相位延迟量不会在所有条件下都精确等于90°。

它可能受到：

• RGB波长差异；
• 斜入射；
• 材料色散；
• 厚度误差；
• 快轴方向误差；
• 温度与装配应力；

等因素影响。

一旦转换不完全，原来的光就不会全部进入正确偏振通道。

一部分光继续沿主光路传播。

另一部分则成为偏振泄漏。

近年来针对VR Pancake的Mueller矩阵分析和综合测量方法，正是在研究这种超越简单轴上透过率的偏振行为。

因此：

波片误差不会只表现为“偏振不够纯”。

它会直接表现为亮度损失。

并且还可能制造新的寄生光路。

第四处损失：反射偏振器不可能无限选择

反射偏振器的理想工作状态是：

一种偏振几乎全部反射。

与其正交的偏振几乎全部透射。

但真实器件的消光比是有限的。

应该反射的光，会有一部分错误透过。

应该透射的光，也会有一部分再次反射。

这意味着系统中出现了两类结果：

第一类，是目标光少了。

表现为亮度下降。

第二类，是错误光没有消失，而是进入新的往返路径。

表现为背景光、对比度下降或鬼像。

所以，在Pancake系统中，反射偏振器的泄漏不能只被记作“损耗”。

它还必须被追踪：

这些光最后去了哪里？

第五处损失：通过镜头不等于进入眼睛

即使偏振循环完全正确，光也不一定全部被用户看到。

它还必须经过：

• 有限口径；
• 镜片表面；
• 光阑；
• 出瞳；
• Eye Box；
• 用户瞳孔。

在大视场和瞳孔偏移条件下，一部分光可能被口径截断，或者落在用户瞳孔之外。

因此，轴上测量得到的总透过率，与真实佩戴状态下用户感受到的亮度，可能并不相同。

针对Pancake的研究已经把瞳孔转动、出瞳和大视场下的性能变化作为专门优化问题，这说明固定眼位下的单点效率不能完整代表实际体验。

损失的光并没有全部消失

这是Pancake效率问题中最容易被忽略的一点。

当一部分光没有进入主像通道时，它可能：

• 被材料吸收；
• 被光阑截断；
• 返回显示源；
• 进入错误偏振通道；
• 再次被表面反射；
• 经过多次往返后进入人眼。

前几类主要表现为效率下降。

最后几类则可能形成鬼像。

2024年的Pancake鬼像研究系统分析了多个寄生光路，并指出系统中的剩余光会在偏振元件和显示侧之间继续传播，从而形成可见的鬼像。

这就产生了一个非常重要的工程结论：

Pancake的亮度与鬼像，往往不是两个独立问题。

它们可能是同一份能量在不同通道中的两种结果。

进入主通道的能量减少，亮度下降。

进入泄漏通道的能量增加，鬼像增强。

所以，单独追求最高透过率，并不一定能够获得最好的视觉表现。

为什么提高显示亮度不是最终答案？

面对Pancake亮度不足，一个很直接的解决方法是提高显示源亮度。

这种方法确实可以提升人眼接收到的主像亮度。

但它不会自动改善系统效率。

它还可能带来：

• 更高功耗；
• 更大散热压力；
• 显示器件寿命压力；
• 泄漏光同步增强；
• 鬼像和背景光更加明显。

因此，提高显示亮度解决的是输出结果。

而不是光学系统内部的能量分配问题。

真正的优化需要继续区分：

• 哪部分光被吸收；
• 哪部分光被偏振器排除；
• 哪部分光落在Eye Box之外；
• 哪部分光进入了鬼像路径；
• 哪部分损失可以通过器件优化恢复；
• 哪部分属于架构的基础限制。

只有知道能量去了哪里，才能选择正确的工程路线。

Pancake的效率，不能用一个数字概括

在普通元件评价中，我们常用一个透过率数字表示其能量性能。

但对于Pancake系统，更完整的问题应该是：

• 哪个波长的效率？
• 哪个视场的效率？
• 哪个瞳孔位置的效率？
• 哪种输入偏振的效率？
• 主像效率，还是全部到达人眼的总能量？
• Eye Box平均效率，还是轴上峰值效率？
• 是否把鬼像能量计算在内？

两个Pancake系统可能具有相同的轴上总透过率。

但其中一个系统将更多能量集中在主像和有效Eye Box内。

另一个系统则将更多能量分布在背景和寄生路径中。

用户看到的效果会完全不同。

因此，Pancake效率更应该被理解为：

目标光能在整个偏振折叠链路中的有效传递能力。

而不是一个孤立的透过率数值。

写在最后

Pancake用多次折返缩短了机械厚度。

但光路折叠不会免费发生。

为了让光在正确的时间反射、在正确的时间透射，系统必须依赖部分反射面、波片和反射偏振器共同完成偏振选择。

每一次能量分配。

每一次偏振转换。

每一次非理想反射。

都会重新决定光进入主像、被吸收，还是进入寄生路径。

所以，Pancake真正压缩的是空间。

它没有消除光学代价。

亮度下降并不是某一片镜片不够透明，而是整个偏振折叠系统对光能进行多次选择后的结果。

这也意味着，Pancake不能只作为一支紧凑镜头进行评价。

它需要被作为一套包含显示源、偏振、薄膜、多次反射、成像镜组、Eye Box和人眼的完整系统来研究。

工程师思考

当Pancake亮度不足时，团队首先应该提高显示源亮度，还是先追踪每一部分光能最终去了哪里？

如果无法区分吸收、偏振泄漏、口径截断和鬼像通道，那么“提高透过率”很可能仍然只是一个过于笼统的目标。