文|智東西 馬良 陳海進(jìn)
VRAR 是消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)下一階段確定性較高的創(chuàng)新方向。2021 年全球 VR 出貨量邁過 1000 萬臺生態(tài)繁榮門檻，行業(yè)進(jìn)入“硬件迭代升級—內(nèi)容生態(tài)繁榮—用戶數(shù)量/滲透率持續(xù)增加”的良性循環(huán)上升通道。Wellsenn XR 預(yù)計全球 VR 光學(xué)市場規(guī)模將于 2023 年達(dá)到 22 億元，2030 年有望達(dá)到 500 億元。
VR 光學(xué)方案主要經(jīng)歷了非球面透鏡、菲涅爾透鏡、Pancake 方案三個階段，當(dāng)前 VR設(shè)備光學(xué)方案仍以菲涅爾透鏡為主，Pancake 方案開始逐步滲透。Pancake 方案的落地不僅是光學(xué)系統(tǒng)自身的重大創(chuàng)新，同時也為 VR 頭顯整機(jī)設(shè)計預(yù)留空間，預(yù)計將是未來幾年 VR 頭顯主流的光學(xué)方案選擇。
01.Pancake，VR設(shè)備拯救者
1、Pancake下一階段 VR 光學(xué)主要升級方向
VR 光學(xué)發(fā)展大致經(jīng)過傳統(tǒng)透鏡—菲涅爾透鏡—折疊光路（Pancake）三個階段，體積重量不斷減小。目前菲涅爾透鏡是市場主流方案，Pancake 因為在輕薄化方面的重大突破，有望成為下一階段 VR 光學(xué)主要升級方向。
傳統(tǒng)透鏡在 VR 應(yīng)用以非球面透鏡為主，體積/重量較大，應(yīng)用逐漸減少。基于凸透鏡基本原理，如果想使其焦距變短，滿足近眼成像模組體積縮小的需求，主要有兩種路徑：1）增加透鏡厚度：通過增加透鏡中央與邊緣厚度差，增強(qiáng)透鏡對光線的折射能力；2）多組透鏡疊加：縮短整體透鏡模組焦距。但是，無論采用哪種方式，短焦距與輕薄化的設(shè)計訴求在傳統(tǒng)透鏡上必然存在嚴(yán)重沖突，這也限制了傳統(tǒng)透鏡在 VR 頭顯上的進(jìn)一步應(yīng)用深化。
▲非球面透鏡可有效解決球差問題，在早期 vr 頭顯應(yīng)用較多
菲涅爾透鏡本質(zhì)是扁平版凸透鏡，因體積較小且工藝成熟被目前市場上多數(shù) VR 頭顯采用。光傳播的方向在介質(zhì)中不會改變（除非是散射光），而是在介質(zhì)的表面偏離。因此，透鏡中心的大部分材料只會增加系統(tǒng)內(nèi)的重量和吸收量?；诖嗽恚颇鶢柾哥R在傳統(tǒng)透鏡的基礎(chǔ)上去掉直線傳播的部分，而保留發(fā)生折射的曲面，從而達(dá)到省下大量材料同時又達(dá)到相同的聚光效果。
Pancake 方案進(jìn)一步壓縮了模組厚度，提升了用戶的舒適度和沉浸感。折疊光路 Pancake方案利用半透半反偏振膜的透鏡系統(tǒng)折疊光學(xué)路徑，光線在鏡片、相位延遲片以及反射式偏振片之間多次折返，最終從反射式偏振片射出進(jìn)入人眼。
2、Pancake原理與優(yōu)缺點(diǎn)
Pancake 光學(xué)方案設(shè)計以偏振光原理為基礎(chǔ)，利用反射偏光片(Reflecting polarizer)對于不同偏振光選擇性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延時片(Quarter waveplate)調(diào)整偏振光形態(tài)，實現(xiàn)光線在半透半反鏡(Half-mirrorlens)和反射偏光片之間的來回反射，并最終從反射偏光片透射出去。
以下圖為例，圓偏振光在通過 1/4 相位延時片后變?yōu)榫€偏振光到達(dá)反射偏光片并被反射，接著第二次通過 1/4 相位延時片變回圓偏振光被半透半反鏡反射并第三次通過 1/4 相位延時片，再次變?yōu)榫€偏振光，因為本次相比第一次光線旋轉(zhuǎn) 90°，得以通過反射偏光片完成成像。
▲Pancake 方案工作原理
Pancake 方案為組合透鏡，通?？赏ㄟ^控制其中一片透鏡位置進(jìn)行屈光度調(diào)節(jié)。對于近視用戶而言，過往佩戴 VR 頭顯進(jìn)行屈光調(diào)節(jié)更多采用的是更換鏡片的方式，試戴過程麻煩且調(diào)檔選擇較為有限。而當(dāng)光學(xué)方案升級到 Pancake 技術(shù)時，屈光度調(diào)節(jié)方式有了更多更便利的選擇。因為 Pancake 方案一般為多組透鏡的組合，可以通過移動其中一組鏡片調(diào)整整個光學(xué)模組的折射率，從而滿足調(diào)焦需求，這種方式對于傳統(tǒng)單片非球面透鏡和菲涅爾透鏡方案就無法實現(xiàn)。當(dāng)然，VR 頭顯也可通過移動屏幕來調(diào)整屈光度，但是外調(diào)焦方式會改變整個模組總長，頭顯設(shè)計時需要預(yù)留體積空間，輕薄性較差。
▲內(nèi)調(diào)屈光度原理
進(jìn)一步，可變焦顯示不僅能滿足近視用戶需求，更是解決 VAC 問題的有效方案。目前 Pancake 與機(jī)械式可變焦技術(shù)已經(jīng)逐漸走向成熟，Pancake+可變焦+眼球追蹤有望成為未來 VR 新頭顯的主流裝機(jī)趨勢。相較于人眼自然成像，VR 頭顯屏幕發(fā)出的光線沒有深度信息，光學(xué)模組焦距固定。
▲Meta 的 Half Dome 1, 2, and 3 原型機(jī)變焦顯示原型
當(dāng)設(shè)備使用時候，人眼焦點(diǎn)調(diào)節(jié)與成像縱深感不匹配，由此產(chǎn)生視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC 現(xiàn)象），使得用戶在佩戴VR 頭顯一段時間后會感到頭暈或疲勞?？勺兘癸@示技術(shù)（機(jī)械式）通過電機(jī)+齒輪傳統(tǒng)系統(tǒng)對透鏡位置進(jìn)行移動，并與眼動追蹤技術(shù)相結(jié)合，基于眼部細(xì)微特征變化校訂模組焦距，模擬人眼自然成像，從而解決 VAC 眩暈問題。
▲Pancake 光學(xué)模組體積大幅減小
Pancake 模組生產(chǎn)技術(shù)難度主要集中在膜材料質(zhì)量、貼膜工藝和組裝調(diào)整三方面。相比傳統(tǒng)非球面透鏡和菲涅爾透鏡，Pancake 模組功能優(yōu)勢在于光路折疊，光學(xué)膜在成像中起到了至關(guān)重要的作用，因此膜材料的質(zhì)量和貼膜工藝相對應(yīng)構(gòu)成了技術(shù)核心。同時，Pancake 方案光路設(shè)計復(fù)雜，組裝和對齊調(diào)整要求很高，細(xì)微差異便會導(dǎo)致光學(xué)模組整體的光路變化。
▲Pancake 模組加工流程及關(guān)鍵難點(diǎn)環(huán)節(jié)
膜材：高質(zhì)量達(dá)標(biāo)反射偏振片與 1/4 相位延時片以海外供應(yīng)為主。反射偏振片和1/4 相位延遲片工作的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性對于 pancake 光學(xué)成像質(zhì)量構(gòu)成關(guān)鍵影響，膜材質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和對應(yīng)要求較高，目前供應(yīng)商以海外廠商 3M、旭化成等為主。
貼膜工藝：曲面貼膜難度較大。光學(xué)貼膜的方式可以分為平面貼膜和曲面貼膜。平面貼膜技術(shù)難度較低，但會犧牲部分光學(xué)性能和成像質(zhì)量。曲面貼膜可以帶來更大的 FOV 和更優(yōu)質(zhì)的成像質(zhì)量，但是工藝難度較大，容易邊緣褶皺和翹起。
組裝調(diào)整：Pancake 光路精度高敏感，對位要求嚴(yán)苛。Pancake 折返方案包括兩片式和多片式，進(jìn)行屏幕、透鏡等組裝時需要嚴(yán)格按照既定光路設(shè)計完成，否則細(xì)微角度差異就會對最終成像效果產(chǎn)生很大影響，高精度 AA 設(shè)備在 Pancake 組裝過程中起到關(guān)鍵的效率和良率提升作用。
Pancake 方案并非十全十美，目前仍然存在光效和鬼影等問題：
光效較低，通常僅約 10%。受光學(xué)原理限制，光線在 Pancake 模組中每次經(jīng)過偏振/半反射環(huán)節(jié)，光效損失 50%。以兩片式 Pancake 簡易模組為例，光線從屏幕發(fā)出后至少經(jīng)過一次圓偏振鏡，兩次半透半反鏡，光效折損已到 12.5%，考慮光線傳播中不可避免的其他損失，通常 Pancake 模組光效僅約 10%。因此，Pancake 光學(xué)方案通常對屏幕亮度要求更高，光學(xué)與顯示方案需配套迭代。
鬼影問題遠(yuǎn)比常規(guī)透鏡方案嚴(yán)重。在光學(xué)成像系統(tǒng)中，由雜散光（透鏡界面多次反射、透鏡缺陷散射、物理結(jié)構(gòu)散射等因素造成）在畫面中的某個位置形成的“像”被稱為“鬼像”(ghost)。鬼影現(xiàn)象會直接導(dǎo)致圖像質(zhì)量的降低，主要是對比度以及 MTF 等。Pancake 方案因為光線多次折返，鬼影問題相比常規(guī)非球面/菲涅爾方案更為嚴(yán)重，一般通過改善透鏡材料、形狀等方式優(yōu)化。
▲Pancake 方案鬼影問題較為嚴(yán)重
根據(jù) Wellsenn XR 預(yù)測，2023 年全球 VR 光學(xué)市場規(guī)模將達(dá)到 22 億元，2030 年有望達(dá)到500 億元。VR 光學(xué)模組是 VR 頭顯的核心元件，其市場規(guī)模取決于 VR 設(shè)備的出貨量和光學(xué)模組價格。目前 Pancake 光學(xué)膜組的成本高、良率低、產(chǎn)量低，單個 Pancake 模組價格約為 150-200 元。隨著未來方案的成熟和產(chǎn)量的提升，Pancake 光學(xué)模組的成本有望逐漸下降，VR 終端價格下沉進(jìn)一步激發(fā)消費(fèi)者購買欲，加速 VR 普及。
目前 HTC Flow 系列、Pico VR Glasses、3Glasses X 系列、創(chuàng)維 S6 及 Pancake 1、arpara、Huawei、Shiftall 等頭顯設(shè)備均已采用 Pancake 方案，Pico 4、Meta Cambria、蘋果 MR 等新品亦蓄勢待發(fā)。Pancake 光學(xué)方案能極大地提升用戶的沉浸感和舒適感，未來 Pancake方案有望為更多 VR 廠商采用，預(yù)計市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。
3、Pancake 與菲涅爾透鏡方案實例比較
3Glasses X1 VS 3Glasses D3：2019 年 4 月，3Glasses 發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 VR 頭顯 3Glasses X1。在整機(jī)設(shè)計上，3Glasses X1 VR 裸機(jī)重量小于 150g，機(jī)身尺寸為 165*62*24mm。相較于 3Glasses在 2017 年發(fā)布的采用菲涅爾透鏡的 VR 頭顯 3Glasses D3，3Glasses X1 的厚度縮減了56mm，重量減輕了一半，整體上更加輕薄。
在顯示配置上，X1 單眼分辨率為 1200*1200，視場角為 105 度，支持 0~600°的屈光度調(diào)節(jié)。由此可見，3Glasses X1 擁有比 D3 更大的視場角，且支持屈光度調(diào)節(jié)，但在采用同款 Fast-LCD 顯示屏的情況下，其分辨率略低于3Glasses D3。
▲3Glasses X1 VS 3Glasses D3
創(chuàng)維 S6 VS 創(chuàng)維 V901 VS 創(chuàng)維 PANCAKE1：2020 年創(chuàng)維發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 VR 分體式眼鏡創(chuàng)維 S6。在整機(jī)方面，創(chuàng)維將S6 整機(jī)眼鏡重量降至 130g，機(jī)身厚度僅 58mm。在顯示方面，S6 單眼分辨率為 1600*1600，視場角為 94°,支持 0~800°的屈光度調(diào)節(jié)。
相較于 2019 年 4 月創(chuàng)維發(fā)布的采用菲涅爾透鏡的VR頭顯創(chuàng)維V901,創(chuàng)維S6顯著縮小了機(jī)身尺寸及降低了重量，但在采用同款Fast-LCD屏幕的情況下，其單眼分辨率及視場角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日，創(chuàng)維發(fā)布了超短焦 Pancake 光學(xué)方案新品 VR 一體機(jī) PANCAKE 1，PANCAKE 1 鏡片體積僅為傳統(tǒng)菲涅爾鏡片的 1/4，厚度減少 50%以上，相較于前兩款產(chǎn)品有著更高的分辨率。
▲創(chuàng)維 S6 VS 創(chuàng)維 V901 VS 創(chuàng)維 PANCAKE1
Pico VR Glasses VS Pico Neo3：2020 年 1 月 Pico 發(fā)布了采用 Pancake 光學(xué)方案的 Pico VR Glasses，使用雙 2.1 英寸TFT-LCD 顯示屏，單眼分辨率達(dá) 1600*1600。此款產(chǎn)品搭配 3DoF 控制器，其視場角為 90度，并支持 0-800 度屈光度調(diào)節(jié)。
作為短焦產(chǎn)品，其機(jī)身尺寸為 160*79*26mm，重量僅為119 克。相較于 2021 年 4 月 Pico 發(fā)布的采用菲涅爾透鏡的VR 頭顯 Pico Neo3，Pico VRGlasses 支持屈光度調(diào)節(jié)，且機(jī)身尺寸更小、重量更輕，但其分辨率及視場角略低于 PicoNeo3。
▲Pico VR Glass VS Pico Neo3
下列VR設(shè)備光學(xué)方案對比情況顯示，采取Pancake光學(xué)方案的VR設(shè)備普遍具有機(jī)身輕薄、支持屈光度調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，但是目前由于技術(shù)原因，視場角表現(xiàn)較弱，方案潛力尚未被完全發(fā)掘。
▲VR 設(shè)備光學(xué)方案對比
從上述案例對比來看，相較于菲涅爾透鏡，Pancake 光學(xué)方案在縮小機(jī)身尺寸、降低 VR 設(shè)備重量以及屈光度調(diào)節(jié)方面有著較大優(yōu)勢，但在顯示方面仍然與工藝成熟的菲涅爾透鏡有一定差距，受光損高、透鏡直徑被壓縮等因素影響，目前分辨率和視場角表現(xiàn)還未達(dá)到理想水平。預(yù)計短期內(nèi)，菲涅爾透鏡仍會被部分 VR 廠商采用，但 Pancake 光學(xué)方案的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，越來越多的 VR 廠商將其應(yīng)用于新品中，Pancake 方案有望在中長期內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模商用。
02.Pancake落地加速，帶來產(chǎn)業(yè)鏈新機(jī)遇
VR 光學(xué)重要創(chuàng)新，Pancake 推動 VR 行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段。VR 頭顯硬件創(chuàng)新主要體現(xiàn)在光學(xué)方案、交互方式、整體設(shè)計三方面，Pancake 是光學(xué)方案中的重大升級。預(yù)計隨著 Pancake 方案的逐步推廣應(yīng)用，VR 頭顯在重量體積和佩戴舒適性上將迎來較大幅度提升，同時 Pancake 模組體積的減少為頭顯整體設(shè)計提供了更多的空間預(yù)留，協(xié)同推進(jìn)行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新的階段。
▲Pancake 為 VR 行業(yè)硬件迭代重要一步
光學(xué)膜卡位 Pancake 方案價值高地，產(chǎn)業(yè)鏈核心供應(yīng)商新增從 0 到 1 彈性機(jī)會。
Pancake 方案在 VR 領(lǐng)域的應(yīng)用帶來增量光學(xué)膜市場機(jī)會，根據(jù)測算，假設(shè)2026 年全球 VR 頭顯出貨量 3473 萬臺，Pancake 滲透率 80%，單目光學(xué)膜成本100 元，對應(yīng)市場規(guī)模約為 56 億元?？紤]到目前 Pancake 光學(xué)膜達(dá)標(biāo)供應(yīng)商較少，對于單家企業(yè)來說從 0 到 1 彈性增長機(jī)會較大。此外，隨著面板產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，我國偏光片市場需求不斷增加，但是供給端高度依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化率提升同樣是本土偏光片企業(yè)的發(fā)展良機(jī)。
▲Pancake 光學(xué)膜市場空間測算(億元)
Pancake 方案對屏幕亮度要求較高，Mini led/Micro oled 光源配套升級，滲透率 有望加速提升。VR 顯示方案主要在像素密度、響應(yīng)速度、亮度、功耗、對比度、成本等性能方面不斷優(yōu)化。Mini led/Micro oled 相比傳統(tǒng) Fast-Lcd 方案整體性能表現(xiàn)更優(yōu)，在 Pancake 方案的配套升級需求下，滲透率有望加速提升。
短期內(nèi) Mini led 方案依據(jù)成本優(yōu)勢落地更快，中長期隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展和終端規(guī)模上量，Micro oled 具備成本競爭力的時候，有望憑借高分辨率、高刷新率等全方位優(yōu)勢快速大面積鋪廣。
智東西認(rèn)為，Pancake方案，可以極大改善目前VR頭顯的“短板”。展望未來，Oculus、Pico、奇遇等頭部廠商的下一代新品、以及蘋果MR都或?qū)⒋钶dPancake光學(xué)模組，產(chǎn)業(yè)趨勢已高度確定。
來源：安信證券 德邦證券
原標(biāo)題：
《VR 設(shè)備輕薄化趨勢明確，Pancake 有望成為主流光學(xué)方案》
《VR 行業(yè)專題 1：Pancake 光學(xué)落地加速，把握硬件創(chuàng)新機(jī)遇》