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  • 2022年9月17日08时

    VR界火爆的Pancake技术是个啥?搞定眩晕笨重两大痛点,苹果也会用【附下载】| 智东西内参

    Pancake技术,VR设备的拯救者。

    编辑|智东西内参

    VRAR 是消费电子产业下一阶段确定性较高的创新方向。2021 年全球 VR 出货量迈过 1000 万台生态繁荣门槛,行业进入“硬件迭代升级—内容生态繁荣—用户数量/渗透率持续增加”的良性循环上升通道。Wellsenn XR 预计全球 VR 光学市场规模将于 2023 年达到 22 亿元,2030 年有望达到 500 亿元。

    VR 光学方案主要经历了非球面透镜、菲涅尔透镜、Pancake 方案三个阶段,当前 VR设备光学方案仍以菲涅尔透镜为主,Pancake 方案开始逐步渗透。Pancake 方案的落地不仅是光学系统自身的重大创新,同时也为 VR 头显整机设计预留空间,预计将是未来几年 VR 头显主流的光学方案选择。

    本期的智能内参,我们推荐安信证券和德邦证券的报告《VR 设备轻薄化趋势明确,Pancake 有望成为主流光学方案》《VR 行业专题 1:Pancake 光学落地加速,把握硬件创新机遇》,解析Pancake技术及该技术对VR产业链的影响。如果想收藏本文的报告,可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc651”获取。

    来源 安信证券 德邦证券

    原标题:

    《VR 设备轻薄化趋势明确,Pancake 有望成为主流光学方案

    《VR 行业专题 1:Pancake 光学落地加速,把握硬件创新机遇》

    作者:马良 陈海进


    01.

    Pancake

    VR设备拯救者


    1、Pancake下一阶段 VR 光学主要升级方向

    VR 光学发展大致经过传统透镜—菲涅尔透镜—折叠光路(Pancake)三个阶段,体积重量不断减小。目前菲涅尔透镜是市场主流方案,Pancake 因为在轻薄化方面的重大突破,有望成为下一阶段 VR 光学主要升级方向。

    传统透镜在 VR 应用以非球面透镜为主,体积/重量较大,应用逐渐减少。基于凸透镜基本原理,如果想使其焦距变短,满足近眼成像模组体积缩小的需求,主要有两种路径:1)增加透镜厚度:通过增加透镜中央与边缘厚度差,增强透镜对光线的折射能力;2)多组透镜叠加:缩短整体透镜模组焦距。但是,无论采用哪种方式,短焦距与轻薄化的设计诉求在传统透镜上必然存在严重冲突,这也限制了传统透镜在 VR 头显上的进一步应用深化。

    ▲非球面透镜可有效解决球差问题,在早期 vr 头显应用较多

    菲涅尔透镜本质是扁平版凸透镜,因体积较小且工艺成熟被目前市场上多数 VR 头显采用。光传播的方向在介质中不会改变(除非是散射光),而是在介质的表面偏离。因此,透镜中心的大部分材料只会增加系统内的重量和吸收量。基于此原理,菲涅尔透镜在传统透镜的基础上去掉直线传播的部分,而保留发生折射的曲面,从而达到省下大量材料同时又达到相同的聚光效果。

    Pancake 方案进一步压缩了模组厚度,提升了用户的舒适度和沉浸感。折叠光路 Pancake方案利用半透半反偏振膜的透镜系统折叠光学路径,光线在镜片、相位延迟片以及反射式偏振片之间多次折返,最终从反射式偏振片射出进入人眼。

    2、Pancake原理与优缺点

    Pancake 光学方案设计以偏振光原理为基础,利用反射偏光片(Reflecting polarizer)对于不同偏振光选择性反射和投射的特性,配合 1/4 相位延时片(Quarter waveplate)调整偏振光形态,实现光线在半透半反镜(Half-mirrorlens)和反射偏光片之间的来回反射,并最终从反射偏光片透射出去。

    以下图为例,圆偏振光在通过 1/4 相位延时片后变为线偏振光到达反射偏光片并被反射,接着第二次通过 1/4 相位延时片变回圆偏振光被半透半反镜反射并第三次通过 1/4 相位延时片,再次变为线偏振光,因为本次相比第一次光线旋转 90°,得以通过反射偏光片完成成像。

    ▲Pancake 方案工作原理

    Pancake 方案为组合透镜,通常可通过控制其中一片透镜位置进行屈光度调节。对于近视用户而言,过往佩戴 VR 头显进行屈光调节更多采用的是更换镜片的方式,试戴过程麻烦且调档选择较为有限。而当光学方案升级到 Pancake 技术时,屈光度调节方式有了更多更便利的选择。因为 Pancake 方案一般为多组透镜的组合,可以通过移动其中一组镜片调整整个光学模组的折射率,从而满足调焦需求,这种方式对于传统单片非球面透镜和菲涅尔透镜方案就无法实现。当然,VR 头显也可通过移动屏幕来调整屈光度,但是外调焦方式会改变整个模组总长,头显设计时需要预留体积空间,轻薄性较差。

    ▲内调屈光度原理

    进一步,可变焦显示不仅能满足近视用户需求,更是解决 VAC 问题的有效方案。目前 Pancake 与机械式可变焦技术已经逐渐走向成熟,Pancake+可变焦+眼球追踪有望成为未来 VR 新头显的主流装机趋势。相较于人眼自然成像,VR 头显屏幕发出的光线没有深度信息,光学模组焦距固定。

    ▲Meta 的 Half Dome 1, 2, and 3 原型机变焦显示原型

    当设备使用时候,人眼焦点调节与成像纵深感不匹配,由此产生视觉辐辏调节冲突(VAC 现象),使得用户在佩戴VR 头显一段时间后会感到头晕或疲劳。可变焦显示技术(机械式)通过电机+齿轮传统系统对透镜位置进行移动,并与眼动追踪技术相结合,基于眼部细微特征变化校订模组焦距,模拟人眼自然成像,从而解决 VAC 眩晕问题。

    ▲Pancake 光学模组体积大幅减小

    Pancake 模组生产技术难度主要集中在膜材料质量、贴膜工艺和组装调整三方面。相比传统非球面透镜和菲涅尔透镜,Pancake 模组功能优势在于光路折叠,光学膜在成像中起到了至关重要的作用,因此膜材料的质量和贴膜工艺相对应构成了技术核心。同时,Pancake 方案光路设计复杂,组装和对齐调整要求很高,细微差异便会导致光学模组整体的光路变化。

    ▲Pancake 模组加工流程及关键难点环节

    膜材:高质量达标反射偏振片与 1/4 相位延时片以海外供应为主。反射偏振片和1/4 相位延迟片工作的准确性与稳定性对于 pancake 光学成像质量构成关键影响,膜材质量的标准和对应要求较高,目前供应商以海外厂商 3M、旭化成等为主。

    贴膜工艺:曲面贴膜难度较大。光学贴膜的方式可以分为平面贴膜和曲面贴膜。平面贴膜技术难度较低,但会牺牲部分光学性能和成像质量。曲面贴膜可以带来更大的 FOV 和更优质的成像质量,但是工艺难度较大,容易边缘褶皱和翘起。

    组装调整:Pancake 光路精度高敏感,对位要求严苛。Pancake 折返方案包括两片式和多片式,进行屏幕、透镜等组装时需要严格按照既定光路设计完成,否则细微角度差异就会对最终成像效果产生很大影响,高精度 AA 设备在 Pancake 组装过程中起到关键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问题:

    光效较低,通常仅约 10%受光学原理限制,光线在 Pancake 模组中每次经过偏振/半反射环节,光效损失 50%。以两片式 Pancake 简易模组为例,光线从屏幕发出后至少经过一次圆偏振镜,两次半透半反镜,光效折损已到 12.5%,考虑光线传播中不可避免的其他损失,通常 Pancake 模组光效仅约 10%。因此,Pancake 光学方案通常对屏幕亮度要求更高,光学与显示方案需配套迭代。

    鬼影问题远比常规透镜方案严重。在光学成像系统中,由杂散光(透镜界面多次反射、透镜缺陷散射、物理结构散射等因素造成)在画面中的某个位置形成的“像”被称为“鬼像”(ghost)。鬼影现象会直接导致图像质量的降低,主要是对比度以及 MTF 等。Pancake 方案因为光线多次折返,鬼影问题相比常规非球面/菲涅尔方案更为严重,一般通过改善透镜材料、形状等方式优化。

    ▲Pancake 方案鬼影问题较为严重

    根据 Wellsenn XR 预测,2023 年全球 VR 光学市场规模将达到 22 亿元,2030 年有望达到500 亿元。VR 光学模组是 VR 头显的核心元件,其市场规模取决于 VR 设备的出货量和光学模组价格。目前 Pancake 光学膜组的成本高、良率低、产量低,单个 Pancake 模组价格约为 150-200 元。随着未来方案的成熟和产量的提升,Pancake 光学模组的成本有望逐渐下降,VR 终端价格下沉进一步激发消费者购买欲,加速 VR 普及。

    目前 HTC Flow 系列、Pico VR Glasses、3Glasses X 系列、创维 S6 及 Pancake 1、arpara、Huawei、Shiftall 等头显设备均已采用 Pancake 方案,Pico 4、Meta Cambria、苹果 MR 等新品亦蓄势待发。Pancake 光学方案能极大地提升用户的沉浸感和舒适感,未来 Pancake方案有望为更多 VR 厂商采用,预计市场规模将持续扩大。

    3、Pancake 与菲涅尔透镜方案实例比较

    3Glasses X1 VS 3Glasses D3:2019 年 4 月,3Glasses 发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 头显 3Glasses X1。在整机设计上,3Glasses X1 VR 裸机重量小于 150g,机身尺寸为 165*62*24mm。相较于 3Glasses在 2017 年发布的采用菲涅尔透镜的 VR 头显 3Glasses D3,3Glasses X1 的厚度缩减了56mm,重量减轻了一半,整体上更加轻薄。

    在显示配置上,X1 单眼分辨率为 1200*1200,视场角为 105 度,支持 0~600°的屈光度调节。由此可见,3Glasses X1 拥有比 D3 更大的视场角,且支持屈光度调节,但在采用同款 Fast-LCD 显示屏的情况下,其分辨率略低于3Glasses D3。

    ▲3Glasses X1
    ▲3Glasses D3
    ▲3Glasses X1 VS 3Glasses D3

    创维 S6 VS 创维 V901 VS 创维 PANCAKE1:2020 年创维发布了采用 Pancake 光学方案的 VR 分体式眼镜创维 S6。在整机方面,创维将S6 整机眼镜重量降至 130g,机身厚度仅 58mm。在显示方面,S6 单眼分辨率为 1600*1600,视场角为 94°,支持 0~800°的屈光度调节。

    相较于 2019 年 4 月创维发布的采用菲涅尔透镜的VR头显创维V901,创维S6显著缩小了机身尺寸及降低了重量,但在采用同款Fast-LCD屏幕的情况下,其单眼分辨率及视场角略低于 V901。2022 年 7 月 25 日,创维发布了超短焦 Pancake 光学方案新品 VR 一体机 PANCAKE 1,PANCAKE 1 镜片体积仅为传统菲涅尔镜片的 1/4,厚度减少 50%以上,相较于前两款产品有着更高的分辨率。

    ▲创维 S6
    ▲创维 V901
    ▲创维 S6 VS 创维 V901 VS 创维 PANCAKE1

    Pico VR Glasses VS Pico Neo3:2020 年 1 月 Pico 发布了采用 Pancake 光学方案的 Pico VR Glasses,使用双 2.1 英寸TFT-LCD 显示屏,单眼分辨率达 1600*1600。此款产品搭配 3DoF 控制器,其视场角为 90度,并支持 0-800 度屈光度调节。

    作为短焦产品,其机身尺寸为 160*79*26mm,重量仅为119 克。相较于 2021 年 4 月 Pico 发布的采用菲涅尔透镜的VR 头显 Pico Neo3,Pico VRGlasses 支持屈光度调节,且机身尺寸更小、重量更轻,但其分辨率及视场角略低于 PicoNeo3。

    ▲Pico VR Glass
    ▲Pico Neo3
    ▲Pico VR Glass VS Pico Neo3

    下列VR设备光学方案对比情况显示,采取Pancake光学方案的VR设备普遍具有机身轻薄、支持屈光度调节的优点,但是目前由于技术原因,视场角表现较弱,方案潜力尚未被完全发掘。

    ▲VR 设备光学方案对比
    从上述案例对比来看,相较于菲涅尔透镜,Pancake 光学方案在缩小机身尺寸、降低 VR 设备重量以及屈光度调节方面有着较大优势,但在显示方面仍然与工艺成熟的菲涅尔透镜有一定差距,受光损高、透镜直径被压缩等因素影响,目前分辨率和视场角表现还未达到理想水平。预计短期内,菲涅尔透镜仍会被部分 VR 厂商采用,但 Pancake 光学方案的优势愈发凸显,越来越多的 VR 厂商将其应用于新品中,Pancake 方案有望在中长期内实现大规模商用。


    02.

    Pancake落地加速

    带来产业链新机遇

    VR 光学重要创新,Pancake 推动 VR 行业发展进入新阶段。VR 头显硬件创新主要体现在光学方案、交互方式、整体设计三方面,Pancake 是光学方案中的重大升级。预计随着 Pancake 方案的逐步推广应用,VR 头显在重量体积和佩戴舒适性上将迎来较大幅度提升,同时 Pancake 模组体积的减少为头显整体设计提供了更多的空间预留,协同推进行业发展进入新的阶段。

    ▲Pancake 为 VR 行业硬件迭代重要一步

    光学膜卡位 Pancake 方案价值高地,产业链核心供应商新增从 0 1 弹性机会。

    Pancake 方案在 VR 领域的应用带来增量光学膜市场机会,根据测算,假设2026 年全球 VR 头显出货量 3473 万台,Pancake 渗透率 80%,单目光学膜成本100 元,对应市场规模约为 56 亿元。考虑到目前 Pancake 光学膜达标供应商较少,对于单家企业来说从 0 到 1 弹性增长机会较大。此外,随着面板产业转移,我国偏光片市场需求不断增加,但是供给端高度依赖进口,国产化率提升同样是本土偏光片企业的发展良机。

    ▲Pancake 光学膜市场空间测算(亿元)

    Pancake 方案对屏幕亮度要求较高,Mini led/Micro oled 光源配套升级,渗透率 有望加速提升。VR 显示方案主要在像素密度、响应速度、亮度、功耗、对比度、成本等性能方面不断优化。Mini led/Micro oled 相比传统 Fast-Lcd 方案整体性能表现更优,在 Pancake 方案的配套升级需求下,渗透率有望加速提升。

    短期内 Mini led 方案依据成本优势落地更快,中长期随着技术的持续创新发展和终端规模上量,Micro oled 具备成本竞争力的时候,有望凭借高分辨率、高刷新率等全方位优势快速大面积铺广。

    智东西认为,Pancake方案,可以极大改善目前VR头显的“短板”。展望未来,Oculus、Pico、奇遇等头部厂商的下一代新品、以及苹果MR都或将搭载Pancake光学模组,产业趋势已高度确定。