VR領(lǐng)域的神奇“松餅”——Pancake光學方案

要說今年在消費端電子市場最火爆的的產(chǎn)品，那一定是Apple在今年WWDC 2023上所推出的Apple Vision Pro。雖說2023年才剛剛過去了一半，但是基本上也可以確實，今年的消費端市場上，大概率不會也不會出現(xiàn)第二個產(chǎn)品，其熱度可以超過Apple Vision Pro了。而隨著Apple Vision Pro的出現(xiàn)，其采用的先進光路解決方案——Pancake又一次進入了大眾的視野?？梢韵胂箅S著Meta、Apple、Pico等等頭部公司紛紛推出基于Pancke的VR設(shè)備，未來的VR市場之上，Pancake一定會是未來一段時間內(nèi)大熱的光路方案，這篇文章就讓筆者帶大家了解一下，究竟什么是Pancake超短焦光學方案。

在Pancake光學方案之前，VR頭顯的光學方案主要經(jīng)歷了非球面透鏡和菲涅爾透鏡兩個階段，這兩種方案的具體原理本篇文章暫不涉及，但是這兩種方案都有其十分致命的缺點，那就是整體光路結(jié)構(gòu)十分巨大，且沉重。早期的非球面透鏡VR方案，輕則七八百克，重則上千克，對于一個需要長時間戴在頭上的設(shè)備，如此沉重的重量對于用戶來說，無疑是巨大的負擔，無形之中也制約了VR設(shè)備的發(fā)展和普及。直到菲涅爾透鏡方案的出現(xiàn)，VR設(shè)備才迎來的第一次減重，從以公斤計算，終于下降到幾百克，還能勉強長時間使用的重量，其厚度也有一定縮減。但我們都知道人眼有其最近的聚焦距離，如果設(shè)備越來越薄，VR屏幕離人眼過近，將極大增加視疲勞甚至根本無法對焦，難道對于VR頭顯來說，輕薄注定無法實現(xiàn)嗎？當然不是，為了解決設(shè)備輕薄和人眼近距離對焦困難，這兩個看似矛盾的問題，Pancake方案應(yīng)運而生。

所謂Pancake從名字上來看也能略知一二，其結(jié)構(gòu)就像松餅（pancake）一樣高度集成在一起，有效降低了結(jié)構(gòu)大小和重量，有效減輕了VR頭顯佩戴的負擔，同時還能最大限度延長光路，讓眼睛可以正常對焦，那么它是怎么做到的呢？

對于VR頭顯來說，為了在有限的距離內(nèi)最大化一片光源的面積，可以采用兩種方法：使用放大鏡或利用兩面鏡子進行反射。后者相比前者具有更短的路徑，即使在獲得相同光面積的情況下。理解了這個原理，我們可以更好地理解Pancake成像原理。在Pancake光學模組之中，光路將被最大程度得被折疊。Pancake光學方案實現(xiàn)折疊光路的原理主要依賴于四種組件：線性偏振片（LP）、四分之一相位延遲片（QWP）、半反半透鏡（BS）和反射偏振片（RP或PBS）。

利用反射偏光片對于不同偏振光選擇性反射和投射的特性，配合 1/4 相位延時片調(diào)整偏振光形態(tài)，實現(xiàn)光線在半透半反鏡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。以實際光路為例，則是圓偏振光在通過 1/4 相位延時片后變?yōu)榫€偏振光到達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。

使用Pancake的方案優(yōu)勢很明顯，除了最最關(guān)鍵的壓縮光路體積，讓VR頭顯設(shè)備更小更輕之外，還能夠改善視野邊緣模糊、畫面畸變、邊緣眩光等問題，帶給用戶更出色的視覺效果，并且對于近視用戶來說，Pancake的方案也有更大的趨光調(diào)節(jié)能力，可以適配更多的近視度數(shù)。

既然Pancake方案這么優(yōu)秀，聽上去光路也不算復(fù)雜，而且回顧歷史，最早的Pancake方案早在2016年就已經(jīng)被提出了，那么為什么直到去年（2022年）開始，Pancake方案才被逐漸使用，并且快速成為主流呢？因為，其實想要做好這個方案其實并不容易，而且Pancake也并不是一個十全十美的解決VR頭顯解決方案。

首當其沖便是pancake采用的光路折疊的光路設(shè)計，由于光線需要在其中反復(fù)偏折透射，就很容易出現(xiàn)寄生反射（即，透明物體底部表面產(chǎn)生的不必要的反射）。這些多余的光線也會在光路中被反復(fù)折射，最終會影像圖像質(zhì)量產(chǎn)生鬼影或眩光。

第二，便是亮度衰減問題，光線多次穿過半透半反，每一次亮度都會衰減50%，因此Pancake方案的極限光學效率只有25%，也就是說，大量的光線會在反復(fù)的偏折中被消耗。正是因為這種缺點的存在，采用Pancake方案的VR頭顯對于顯示屏亮度的要求就十分苛刻。

第三，Pancake方案所獲得的視場（FOV）有限，最大視場角一般是95-100°，這對于追求沉浸感的VR設(shè)備來說還稍顯狹窄，就算是近期Apple所推出的Vision Pro據(jù)體驗反饋來看，也會有明顯的視場不足的問題。

第四，這種方案的成本相對高昂，且對于制造來說，產(chǎn)品的良率很難保證。據(jù)中信證券調(diào)研，光學膜是Pancake方案的核心成本項目，合計占比在70%左右，其中尤以反射式偏振膜成本占比最高。

正是因為存在這些缺點，早在2016年就已經(jīng)出現(xiàn)的VR光學解決方案直到2022年才開始全面進入市場。加上各個VR大廠紛紛對Pancake方案拋出橄欖枝，這就讓其逐漸變成了未來的主流VR頭顯光學方案。目前，最主流的Pancake方案是雙片式。在清晰度較高、厚度較薄的情況下，也能將成本控制在一個較低的范圍內(nèi)。筆者相信對于未來的VR行業(yè)來說，Pancake方案依舊是一個偏向過渡的產(chǎn)品形態(tài)，但就目前而言，它就是現(xiàn)在體驗和成本平衡最好的一個VR頭顯光學方案。

毫無疑問，Pancake是VR設(shè)備迭代的重要一步，同時Pancake 方案在 VR 領(lǐng)域的應(yīng)用帶來增量光學膜市場機會，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%，單目光學膜成本100 元，對應(yīng)市場規(guī)模約為 56 億元；不僅如此，由于Pancake方案對于屏幕亮度的要求很高，也帶動了Mini led/Micro oled 光源配套升級。相信在未來，VR設(shè)備越來越大眾化，特別是一些產(chǎn)品號召力很強的頭部企業(yè)入局，未來的VR領(lǐng)域一定的迎來重大發(fā)展，產(chǎn)業(yè)趨勢已高度確定，并且?guī)酉嚓P(guān)行業(yè)配套行業(yè)的發(fā)展。